徐 昕,劉建偉,康國(guó)峰

(同煤國(guó)電同忻煤礦有限公司,山西 大同 037001)

我國(guó)煤炭資源儲(chǔ)量豐富,特厚煤層廣泛分布于各大礦區(qū)。隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展,煤炭資源開(kāi)采逐漸趨于精細(xì)化[1-2],特厚煤層開(kāi)采時(shí)巷道支護(hù)問(wèn)題逐漸成為重要研究課題。許多學(xué)者對(duì)特厚煤層大采高工作面沿空掘巷巷道支護(hù)進(jìn)行了研究[3-4]。但對(duì)雙系煤層開(kāi)采條件下,特厚煤層綜放工作面受上覆采空區(qū)影響的小煤柱沿空掘巷分段支護(hù)設(shè)計(jì)研究還有很大研究空間[5]。本文通過(guò)理論計(jì)算、數(shù)值模擬、工程類(lèi)比及礦壓觀測(cè)等方法對(duì)采空區(qū)下特厚煤層大采高綜放工作面沿空掘巷留設(shè)6 m小煤柱的條件進(jìn)行分析并提出了合理支護(hù)方案。

1 工程概況

同忻礦位于大同市云岡區(qū),主要開(kāi)采石炭系3-5#煤層,煤層平均厚度為15 m,為近水平煤層。在8202工作面開(kāi)采時(shí)(已開(kāi)采結(jié)束),采用放頂煤采煤法,與相鄰8203面采空區(qū)間留設(shè)38 m區(qū)段寬煤柱,見(jiàn)圖1。8202工作面回采期間,受上部采空區(qū)、區(qū)段煤柱等影響礦壓顯現(xiàn)劇烈,最嚴(yán)重時(shí)回風(fēng)巷與工作面交叉處僅為70 cm×70 cm的窄口,嚴(yán)重影響通風(fēng)和安全,具體見(jiàn)圖2。

圖1 8202工作面 8203面采空區(qū)位置圖

圖2 5202巷變形嚴(yán)重圖

8205工作面回采長(zhǎng)度為1 500 m,預(yù)計(jì)一條煤柱損失煤炭約130萬(wàn)t。8205面與8207面采空區(qū)位置關(guān)系見(jiàn)圖3。5205巷上覆有侏羅系采空區(qū),層間距約220 m～238 m。為解決煤炭資源損失嚴(yán)重及區(qū)段寬煤柱壓力大等問(wèn)題,同忻礦決定采用沿空掘巷法,該法可降低區(qū)段寬煤柱集中應(yīng)力。窄煤柱位于巖層三角滑移區(qū)保護(hù)之下能夠保持穩(wěn)定。依據(jù)資料[6]可以做出判斷:8207采空區(qū)形成已距今1 a～1.5 a,對(duì)5205巷掘巷不會(huì)產(chǎn)生大的影響。為此,論文采用多種方法綜合對(duì)5205巷沿空掘巷的煤柱寬度和巷道支護(hù)形式進(jìn)行研究。

圖3 8205面、5205巷與8207面采空區(qū)位置關(guān)系圖

2 窄煤柱寬度理論分析

區(qū)段煤柱應(yīng)力峰值距采空區(qū)邊緣的距離可根據(jù)以下公式計(jì)算得出:

式中:M為煤層厚度,15 m;β為側(cè)壓系數(shù),0.91(根據(jù)同忻礦二盤(pán)區(qū)地應(yīng)力測(cè)試報(bào)告:5205巷道長(zhǎng)軸方向?yàn)镹EE方向,方位角為234.255°,這個(gè)方向與最大主應(yīng)力方向基本一致。因此,在計(jì)算β時(shí),實(shí)際的側(cè)向壓力為最小主應(yīng)力。根據(jù)原巖應(yīng)力測(cè)試得出,β=0.91);φ0為煤層內(nèi)摩擦角,28°;C0為煤層內(nèi)部黏聚力,1.8 MPa;Px為采空區(qū)對(duì)煤柱側(cè)向約束力,0。代入相關(guān)參數(shù)計(jì)算得出不同開(kāi)采煤厚時(shí)的支承壓力降低區(qū)范圍,見(jiàn)圖4。8205面煤層平均厚度為13.76 m。

圖4 不同開(kāi)采厚度側(cè)向支承壓力降低區(qū)距離

由圖4可知,平均應(yīng)力降低區(qū)范圍為14.3 m～15.4 m?？紤]到5205巷沿空掘巷寬度為5.5 m,為保證巷道處于應(yīng)力降低范圍內(nèi),小煤柱最大寬度為8.8 m,但考慮到煤柱圍巖變形情況與煤柱寬度的關(guān)系及煤柱隔絕采空區(qū)氣體等要求,確定煤柱寬度為6 m。依據(jù)相關(guān)資料[7],煤柱影響系數(shù)取1.4,可估算應(yīng)力降低范圍約為11.4 m。故而,留設(shè)6 m小煤柱可以滿足要求。

3 巷道支護(hù)方案設(shè)計(jì)

3.1 巷道支護(hù)分段模擬研究

圖5 巷道工程地質(zhì)圖

5202工作面上方存在寬度不一的煤柱、采空區(qū),見(jiàn)圖5、圖6。選用ABAQUS數(shù)值模擬軟件對(duì)侏羅系遺留煤柱垂直應(yīng)力進(jìn)行模擬,見(jiàn)圖7。

圖7中的紅線為應(yīng)力監(jiān)測(cè)線。由圖7知4個(gè)采空區(qū)下都為應(yīng)力降低區(qū),說(shuō)明侏羅系遺留煤柱對(duì)掘巷期間的小煤柱無(wú)太大影響。為進(jìn)一步分析侏羅系遺留煤柱對(duì)5205沿空巷護(hù)巷煤柱的影響,用ABAQUS有限元軟件對(duì)8207工作面開(kāi)挖后以及8205面回采至遺留煤柱(F-G)下時(shí)的煤柱應(yīng)力進(jìn)行分析,見(jiàn)圖8、圖9。根據(jù)煤柱應(yīng)力狀態(tài),可分段為采空區(qū)影響區(qū)(A-B、E-F、G-H、I-J)、煤柱不影響區(qū)(C-D、K-L)與煤柱影響區(qū)(B-C、D-E、F-G、H-I、J-K)。A-K各點(diǎn)距西二盤(pán)區(qū)回風(fēng)大巷的距離如表1所示。

圖6 8205、8207工作面巷道空間位置關(guān)系圖

圖7 侏羅系遺留煤柱垂直應(yīng)力模擬結(jié)果

表1 巷道煤柱影響區(qū)位置表

由圖7知8205工作面回采至遺留煤柱(F-G)下時(shí),底板應(yīng)力與8205面采動(dòng)應(yīng)力疊加作用使得5205巷受到的采動(dòng)影響加劇。主要影響發(fā)生在回采期間(不是掘進(jìn)期間),影響的主要位置為超前工作面煤幫側(cè)面。因此,需要依據(jù)應(yīng)力狀態(tài)對(duì)5205巷進(jìn)行分段支護(hù)設(shè)計(jì)進(jìn)行強(qiáng)化。除去應(yīng)力影響小的范圍及已有巷道,對(duì)5205巷進(jìn)行沿空段的支護(hù)設(shè)計(jì),不存在實(shí)體煤段,故對(duì)實(shí)體煤段的支護(hù)情況不予考慮,特此說(shuō)明。

圖8 8207面開(kāi)挖后3-5#煤層垂直應(yīng)力云圖

圖9 8205面回采至遺留煤柱(F-G)下時(shí)3-5#煤層垂直應(yīng)力云圖

3.2 5205巷分段支護(hù)設(shè)計(jì)方案

結(jié)合上述分析,參照《巷道頂板錨桿基本支護(hù)形式與主要支護(hù)參數(shù)》《節(jié)理、層理發(fā)育程度分級(jí)》。使用工程類(lèi)比法參照千秋礦與塔山礦小煤柱開(kāi)采的巷道支護(hù)形式(千秋礦、塔山礦與同忻礦生產(chǎn)條件類(lèi)似)。根據(jù)高強(qiáng)度錨桿支護(hù)巷道圍巖強(qiáng)化強(qiáng)度理論,錨固平衡理論和錨索的懸吊補(bǔ)強(qiáng)理論。按照錨桿、錨索耦合支護(hù)原則和動(dòng)態(tài)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法等,結(jié)合同忻礦以往巷道支護(hù)及現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和5205巷的圍巖力學(xué)特性等來(lái)確定錨桿、錨索支護(hù)密度及長(zhǎng)度等,確定參數(shù)如下:

1)錨桿長(zhǎng)度為:L=2 500 mm、Φ=22 mm。

2)錨桿間排距為:900 mm×900 mm。

3)頂錨索長(zhǎng)度:6.3 m和8.3 m兩種。

4)頂錨索排距:因?yàn)殄^索排距一般不大于錨索長(zhǎng)度的1/2,所以排距小于3 m或4 m即可。為確保支護(hù)效果,排距取1.8 m滿足要求。

5)每排錨索數(shù)目:按1.8 m的排距在頂部每排布置6根進(jìn)行加強(qiáng)。

具體方案設(shè)計(jì)如下:

1)采空區(qū)影響段

a.巷道頂板支護(hù)設(shè)計(jì):每排6根錨桿,排距900/1 800 mm,間距900 mm;每?jī)膳佩^桿打一排錨索,排距2 700 mm,間距900 mm;每?jī)膳佩^桿打一排錨索,排距2 700 mm,間距900 mm,每排6.3 m和8.3 m錨索交替布置6根;兩腮布置5.3 m肩角錨索,排拒1 800 mm,錨索吊600 mm短節(jié)工字鋼,兩排錨桿中部加一套組合錨索(5根),具體見(jiàn)圖10、圖11。

b.組合錨索:在兩排錨桿中布置,排距2 700 mm,間距2 400 mm。組合錨索使用5根,中間1根為Φ21.8 mm-1×19-10 300 mm,四周分別是2根Φ21.8 mm-1×19-8 300 mm和2根Φ21.8 mm-1×19-6 300 mm,成對(duì)角布置。5205巷臨近8205工作面開(kāi)切眼位置前50 m,后20 m范圍內(nèi)組合錨索排間距減小為1 800 mm×1 800 mm(組合錨索個(gè)數(shù)一排由兩個(gè)變成三個(gè)),見(jiàn)圖12。

c.巷道兩幫支護(hù)設(shè)計(jì)。采煤幫支護(hù):錨桿排距900 mm,間距900 mm,直徑Φ22 mm,桿長(zhǎng)為3 000 mm。距巷道頂400 mm打1根錨桿與水平方向夾角為10°(向上偏),底部錨桿與水平方向夾角為20°(向下偏),中間2根錨桿(交替換成錨索,為Φ21.8 mm-1×19-5 300 mm,排距1 800 mm,垂直巷幫。距巷道底2 950 mm布置一排錨索,為Φ21.8 mm-1×19-5 300 mm鋼絞線,間距900 mm,金屬網(wǎng)為50 mm×50 mm 的網(wǎng)格菱形金屬網(wǎng),見(jiàn)圖12。

煤柱幫支護(hù):錨桿支護(hù)與采煤幫支護(hù)相同。距巷道頂400 mm打1根錨索替代錨桿,與水平方向夾角為10°(向上偏)。距巷道底700 mm打1根錨桿與水平方向夾角為20°(向下偏),中間2根錨桿(交替換成錨索,為Φ17.8 mm-1×7-4 300 mm,排距1 800 mm)垂直巷幫。金屬網(wǎng)規(guī)格同采煤幫,見(jiàn)圖13。

圖10 5205巷采空區(qū)影響段支護(hù)圖

圖11 5205巷采空區(qū)影響段頂板支護(hù)平面圖

圖12 5205巷采空區(qū)影響段采煤幫支護(hù)平面圖

圖13 5205巷采空區(qū)影響段煤柱幫支護(hù)平面圖

2)煤柱影響段

對(duì)比與采空區(qū)影響段的不同之處:

a.巷道頂板支護(hù)將兩腮布置的肩角錨索,由Φ21.8 mm-1×19-5 300 mm改為Φ21.8 mm-1×19-6 500 mm。

b.采煤幫支護(hù)將距巷道底2 950 mm布置的一排錨索,由Φ21.8 mm-1×19-5 300 mm改為Φ21.8 mm-1×19-6 300 mm。

c.煤柱幫支護(hù)將距巷道頂400 mm的1根錨索由Φ17.8 mm-1×7-4 300 m改為Φ17.8 mm-1×7-4 500 mm;將距巷道底700 mm打的1錨桿與2根錨桿交替換成的錨索由Φ17.8 mm-1×7-4 300 mm改為Φ17.8 mm-1×7-4 500 mm。

其它與采空區(qū)影響段的支護(hù)形式完全相同,組合錨索的布置也完全相同。

4 礦壓監(jiān)測(cè)

為驗(yàn)證設(shè)計(jì)方案效果,用“十字布點(diǎn)法”對(duì)分段支護(hù)巷道頂?shù)装寮皟蓭鸵平窟M(jìn)行監(jiān)測(cè),監(jiān)測(cè)位置為分段支護(hù)巷道中部。結(jié)果顯示:

1)5205巷在掘進(jìn)期間,采空區(qū)影響段頂?shù)装逡平孔畲笾凳?3.12 mm,兩幫移近量最大11.21 mm;煤柱影響段巷道頂?shù)装遄畲笠平?0.18 mm,兩幫最大移近量23.34 mm。

2)5205巷在回采期間,將礦壓測(cè)點(diǎn)布置在工作面前方40 m處。結(jié)果顯示:采空區(qū)影響段5205巷頂?shù)装逡平孔畲?6.85 mm,兩幫移近量最大值21.32 mm,煤柱影響段巷道頂板移近量最大值為38.20 mm,兩幫最大移近量43.24 mm。

總體來(lái)看,巷道變形量時(shí)較小,說(shuō)明所設(shè)計(jì)的分段支護(hù)方案能夠滿足安全生產(chǎn)需要。

5 結(jié)論

1)通過(guò)理論計(jì)算確定煤柱采空區(qū)側(cè)應(yīng)力降低區(qū)寬度為14.3 m～15.4 m,并確定5205巷沿空掘巷小煤柱寬度為6 m。經(jīng)ABAQUS數(shù)值模擬確定出5205巷前方不同結(jié)構(gòu)下煤柱應(yīng)力分布情況,并據(jù)此確定出5205巷煤柱上方分為采空區(qū)影響區(qū)域和煤柱影響區(qū)域,需分開(kāi)設(shè)計(jì)。

2)根據(jù)理論計(jì)算、工程類(lèi)比及現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)確定出采空區(qū)及煤柱影響段支護(hù)方案為錨桿索主支護(hù)與組合錨索輔助支護(hù)相結(jié)合的支護(hù)形式。

3)現(xiàn)場(chǎng)礦壓監(jiān)測(cè)顯示:5205巷最大移近量在8205工作面回采期間的煤柱影響段,頂?shù)装逡平孔畲笾?8.20 mm,兩幫移近量最大值43.24 mm。說(shuō)明巷道能滿足安全生產(chǎn)需要,設(shè)計(jì)合理,支護(hù)有效。