厚煤層綜采工作面沿空掘巷技術研究

高 磊

(國家能源集團神東煤炭公司 大柳塔煤礦,陜西 神木 719315)

沿空掘巷無煤柱開采作為高效開采的一種典型形式,其基本原理是通過在上一工作面的采空區(qū)邊緣不留煤柱或留小煤柱掘進下一工作面的回采巷道,使其位于應力降低區(qū)內,同時可配合切頂卸壓技術破壞上覆厚硬巖層的完整性,切斷懸臂粱結構及應力傳遞路徑,形成雙重保障,有效改善其巷道的圍巖應力環(huán)境,同時還可以達到隔絕采空區(qū)的目的。

國內學者也針對沿空掘巷技術開展了諸多研究,韓承強等[1]通過礦壓監(jiān)測數據及數值計算分析了沿空掘巷條件下的煤柱破壞規(guī)律,認為煤柱寬度對塑性區(qū)破壞影響最大;黃萬朋等[2]通過理論分析提出小煤柱雙巷掘進新方法,并采用切頂卸壓配合高強度復合加固支護保護巷道圍巖穩(wěn)定,有效改善了采掘接替緊張的問題;孫殿宇[3]通過理論計算及數值模擬方法,確定了復雜條件下的側向應力降低區(qū)范圍和煤柱合理尺寸,并選擇將巷道布置在降低區(qū)內,改善了回采期間巷道圍巖變形量大的問題。綜合上述分析,小煤柱沿空掘巷技術在一定程度上具有可行性,但由于其煤體本身強度有限,均伴隨著不同程度的煤柱穩(wěn)定性差的問題[4]。因此,本文提出采用巷旁支護+切頂卸壓技術,即通過柔模混凝土墻體的構筑代替小煤柱,利用墻體具有的高強度特性可對頂板形成剛性支承,有效控制了頂板的回轉下沉量,從而提高了沿空掘巷的可行性,為深井開采創(chuàng)造了較好的經濟社會效益。

1 工程概況

某礦52507工作面采用綜合機械化采煤,主采52煤層,工作面煤層厚6.8～7.62 m,平均厚7.3 m,屬厚煤層,煤層傾角1～3°,平均傾角2°,屬近水平煤層;工作面頂底板中,偽頂為0.45 m的泥巖,直接頂為3.11 m的粉砂巖,基本頂為15.39 m的細砂巖,直接底為4.23 m的粗砂巖,圍巖整體強度相對較高;工作面范圍內無斷層、陷落柱等特殊地質構造,地質構造復雜程度屬簡單類型;工作面瓦斯日最大絕對涌出量為1.09 m3/min,屬低瓦斯礦井。52507工作面頂底板情況如表1所示。

表1 52507工作面頂底板情況

52507工作面位于52煤五盤區(qū),東側為五盤區(qū)井田邊界,西側為52煤主運大巷,南側為52506工作面采空區(qū),北側為52508工作面;52507工作面走向長度3 494.5 m,傾向長度300.7 m,共布置有3條回采巷道,均為矩形斷面,其中運輸巷巷寬6 m,巷高4.2 m,斷面積25.2 m2,全長3 660 m;回風巷巷寬5.8 m,巷高4.2 m,斷面積24.36 m2,全長3 657 m,切眼巷寬9.8 m,巷高5.1 m,斷面積49.98 m2,全長300 m,均采用錨網索聯合支護方式。52507工作面布置平面圖如圖1所示。

圖1 52507工作面布置平面圖

2 巷旁支護沿空掘巷應力分析

2.1 巷旁支護載荷分析

分離巖塊法[5]作為上覆巖層載荷計算方法,在宏觀上可對巷旁支護體所受載荷進行基本計算,其認為在巷道掘進時,巷旁支護體位于采空區(qū)與實體煤之間,上覆巖層于實體煤處以θ角度產生回轉下沉,而采空區(qū)一端由于垮落空間的存在,沿階梯狀形成自由面,其垮落煤巖體的自重即成為巷旁支護體結構所受載荷,如圖2所示。

圖2 巷旁支護體承載力學模型

為基于分離巖塊法進行巷旁支護體所受載荷計算,作出如下基本假設:

1) 巖塊處于相對靜止且平衡的狀態(tài),兩側及頂部邊界無作用力存在;

2) 巖塊兩端的剪切角均為θ;

3) 巖塊為剛體,且力矩總和為零。

其載荷計算公式為:

(1)

式中:q為巷旁支護體載荷,kN/m;bB為留巷寬度,m;x為巷旁支護體的寬度,m;bc為支護體外側懸頂距,m;γB為巖塊容重,kN/m3;h為工作面采高,m;θ為巖層破壞剪切角,°.

將工作面相關參數,巷旁支護體寬度1.6 m代入式(1)可得,巷旁支護體所受載荷q為7 120 kN/m,考慮巷旁支護體同時承受工作面回采、巷道掘進動壓影響及矸石側向推力,結合工作面埋深,取重復采動系數為2.3,故可知單位長度的巷旁支護體承受載荷為2.3q=7 120 kN/m2.

2.2 巷旁支護承載力分析

柔模混凝土墻體[6]是一種復合纖維做模板,混凝土充填的支撐結構體,其柔性模板可內置鋼筋錨栓用以控制橫向變形。在上覆巖層的重力作用下產生軸向壓力,而被約束的核心混凝土產生橫向擴容變形,使得錨栓產生拉伸變形,從而形成了作用于核心混凝土的橫向約束力,核心混凝土處于三向受壓應力狀態(tài)。其柔模墻體的承載能力計算公式為:

N2=0.9(fc+4σr)Acor

(2)

其內置錨栓的橫向約束力為:

(3)

式中:N2為巷旁支護承載力,kN/m;σr為錨栓托盤產生的約束力,MPa;Acor為墻體斷面積,m2;fc為墻體抗壓強度,MPa;d為錨栓直徑,mm;σb為錨栓抗拉強度,MPa;a1、a2為間排距,mm.

根據工作面現有地質條件及支護材料,柔模袋內置橫向錨栓選用D22 mm×1 700 mm的螺紋鋼錨栓,間排距850 mm×800 mm,抗拉強度為490 MPa,將工作面相關參數及錨栓參數代入式(2)、式(3)中可知,單位長度柔模混凝土墻體承載能力為26 365.4 kN/m2,結合前文所得承受載荷可知,安全系數為1.61,基本確定1.6 m寬度的柔?；炷翂尚纬捎行еёo。

3 沿空掘巷圍巖控制方案

3.1 巷旁支護體參數

根據巷旁支護體沿空掘巷空間位置,巷旁支護體在澆筑完成后,共需受到52507工作面超前支承壓力影響、滯后動壓影響、52508回風巷掘進動壓影響、回采動壓影響共4次。結合現階段工作面采掘計劃,初步確定在52507工作面回采前,超前工作面一定距離沿煤柱幫進行柔模混凝土墻體澆筑,待工作面回采完成后,沿墻體另一側進行52508回風巷掘進,隨后進行52508工作面回采。

根據前文理論計算,初步確定巷旁支護體尺寸為長4 m(巷道軸向),寬1.6 m(巷道徑向),高4.2 m,澆筑墻體之后52507回風巷巷寬4.2 m,滿足回風使用要求。為了提高墻體接頂效果,模袋頂部增加200 mm預留量,即柔模袋尺寸確定為:長×寬×高=4 m×1.6 m×4.4 m.巷旁支護體參數如圖3所示。

圖3 巷旁支護體參數(單位:mm)

3.2 切頂卸壓關鍵參數

為進一步保證52508回風巷在掘進及回采時的巷道圍巖穩(wěn)定性,同時降低巷旁支護體所受載荷,提出采用切頂卸壓技術,即通過爆破等方法在上覆巖層內形成弱面,破壞上覆巖層的完整性及連續(xù)性,避免其成為傳力結構的同時,防止在回風巷采空側頂板形成短懸臂粱結構。以此達到對回風巷圍巖的雙重保護。

1) 切頂高度及角度。根據工作面上覆巖層賦存情況可知,基本頂為15.39 m厚的細砂巖層,其整體強度較高,且對上覆巖層的承載其關鍵控制作用,因此,確定切頂高度為破壞基本頂為準,即切頂垂直高度18.95 m.同時考慮上覆巖層最佳垮落角度為仰角75°,選擇切頂角度為朝向52507運輸巷方向仰角75°.

2) 鉆孔間距。根據深孔爆破理論[7]可知,根據距離爆破點中心的距離,依次分為壓碎區(qū)、裂隙區(qū)和震動區(qū)三部分,而壓碎區(qū)和裂隙區(qū)均對巖體產生實質破壞,因此,可將裂隙區(qū)范圍作為切頂卸壓鉆孔間距。其裂隙區(qū)半徑計算公式為:

(4)

式中:σcd為抗壓強度,MPa;σtd為抗拉強度,MPa;ρ為藥卷密實度,kg/m3,D為應力波速,m/s;η為隔熱系數;n為增壓系數;μd為泊松比;l為藥孔比;K為不耦合系數;r鉆孔半徑,取0.03 m.

將藥卷參數與相關地質條件代入式(4)可得裂隙區(qū)半徑為2 m,因此鉆孔間距選取為4 m.鉆孔布置示意如圖4所示。

圖4 鉆孔布置示意

4 現場應用效果分析

4.1 52507工作面回采時墻體應力分析

為針對工作面回采時,超前支承壓力影響范圍內的巷旁支護體穩(wěn)定性進行分析,選擇在工作面回采一定距離且動壓穩(wěn)定后讀取墻體應力監(jiān)測計數據,并繪制如圖5所示。

圖5 墻體應力曲線圖

根據圖5墻體應力分析可知,墻體所受應力基本符合超前支承壓力分布規(guī)律,其應力峰值位于工作面前方9.9 m處,應力大小為11.7 MPa,而巷旁支護體強度可達20 MPa,安全系數達1.72,即表明巷旁支護體可在工作面回采過程中,均保持其穩(wěn)定性。

4.2 52507回風巷掘進時圍巖變形量分析

巷旁支護沿空掘巷的應用主要目的是為了保證52507回風巷位于低應力區(qū)的同時,還可以提升巷道圍巖穩(wěn)定性,降低圍巖變形量,因此,將位移監(jiān)測點布置于距巷道開口200 m處,以滯后掘進工作面距離為x軸,圍巖變形量為y軸,綜合分析現場應用效果。圍巖位移監(jiān)測量如圖6所示。

圖6 巷道圍巖變形量

由圖6可知,在52508回風巷掘進后,圍巖變形量呈先增加,后平穩(wěn)的趨勢,其中頂底板移近量相對較大,最大為64 mm,兩幫變形量相對較小,最大為53 mm,其圍巖變形量均屬于偏小范圍,且巷道斷面完整,由此可判斷沿空掘巷圍巖控制方案較為合理,有利于巷道圍巖穩(wěn)定性的提升。

5 結 語

1) 基于分離巖塊法,建立了沿空掘巷條件下的巷旁支護體承載計算力學模型,認為巷旁支護體主要承受巷道頂板區(qū)域內的覆巖載荷,并理論確定了巷旁支護體所受載荷為16 376 kN/m2,同時給出了符合承載能力的柔模混凝土墻體尺寸為寬1.6 m,高4.2 m;

2) 根據工程經驗得出,采用切頂卸壓技術可進一步保證多重動壓下的回風巷圍巖及巷旁支護體穩(wěn)定性,并通過理論計算確定了切頂高度18.95 m,鉆孔間距4 m,角度75°時可達到卸壓效果;

3) 根據礦壓監(jiān)測數據分析得出,巷旁支護體內的應力峰值位于其設計強度之下,墻體處于穩(wěn)定狀態(tài),同時回風巷掘進時,其巷道圍巖變形曲線呈先急后緩,隨后趨于穩(wěn)定的變化趨勢,并且變形量均較小,表明沿空掘巷圍巖控制方案可有效保證巷道圍巖的穩(wěn)定性。