高瓦斯礦井煤柱內(nèi)沿空掘巷圍巖穩(wěn)定性分析

蘇 海

(1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)資源與安全工程學(xué)院,北京市海淀區(qū),100083; 2.山西潞安集團(tuán)余吾煤業(yè)有限責(zé)任公司,山西省長(zhǎng)治市,046103)

高瓦斯礦井煤柱內(nèi)沿空掘巷圍巖穩(wěn)定性分析

蘇 海

(1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)資源與安全工程學(xué)院,北京市海淀區(qū),100083; 2.山西潞安集團(tuán)余吾煤業(yè)有限責(zé)任公司,山西省長(zhǎng)治市,046103)

高瓦斯厚煤層綜放工作面通常采用雙U型巷道布置方式,巷道之間的煤柱留設(shè)十分重要。根據(jù)潞安集團(tuán)余吾煤業(yè)S1202工作面實(shí)際情況,提出了一種稱(chēng)為寬煤柱內(nèi)沿空掘巷的新型巷道布置方式;通過(guò)對(duì)綜放工作面上覆巖體破斷運(yùn)動(dòng)規(guī)律的研究,認(rèn)為沿空巷道基本頂弧形三角塊結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定是保持沿空掘巷圍巖穩(wěn)定的前提;建立沿空巷道小煤柱力學(xué)模型,推導(dǎo)出煤柱內(nèi)沿空掘巷小煤柱寬度計(jì)算公式,最終確定S1202瓦斯排放巷道排巷沿空側(cè)護(hù)巷煤柱合理寬度為5 m,為潞安礦區(qū)類(lèi)似條件下巷道優(yōu)化布置提供了依據(jù)。

高瓦斯礦井 厚煤層綜放開(kāi)采 雙巷布置 煤柱內(nèi)沿空掘巷 弧形三角塊結(jié)構(gòu)煤柱寬度

為解決一般U型通風(fēng)方式會(huì)遇到工作面上隅角及回風(fēng)巷瓦斯含量經(jīng)常超限的問(wèn)題,潞安集團(tuán)余吾煤業(yè)結(jié)合自身?xiàng)l件并經(jīng)過(guò)多年的實(shí)踐和探索,提出了在高瓦斯厚煤層綜放工作面采用雙U型巷道布置方式。雙U型巷道布置即每個(gè)工作面有4條回采巷道為其服務(wù),分別是運(yùn)輸巷、回風(fēng)巷、進(jìn)風(fēng)巷(輔運(yùn)巷)和瓦斯排放巷(簡(jiǎn)稱(chēng)瓦排巷),其中運(yùn)輸巷、切眼和回風(fēng)巷構(gòu)成工作面內(nèi)圈巷道,進(jìn)風(fēng)巷、輔助切眼和瓦排巷構(gòu)成工作面外圈巷道。采用雙U型巷道布置工作面時(shí),通常將上工作面的外圈巷道保留下來(lái)作為本工作面的外圈巷道使用,這樣保留下來(lái)的外圈巷道就成為兩個(gè)工作面之間的中間巷。由于中間巷服務(wù)相鄰兩個(gè)工作面,服務(wù)年限長(zhǎng)且要經(jīng)歷兩次強(qiáng)烈采動(dòng)影響,若左右兩側(cè)煤柱寬度設(shè)計(jì)不合理,中間巷將受到兩側(cè)采動(dòng)高應(yīng)力疊加作用的影響,無(wú)法保持穩(wěn)定,大部分時(shí)間處于返修或待修狀態(tài),不能正常使用,會(huì)成為制約高瓦斯厚煤層綜放工作面高產(chǎn)高效的瓶頸。

因此,從改善沿空巷道受力環(huán)境為切入點(diǎn),提出一種新型的寬煤柱內(nèi)沿空掘巷的回采巷道布置方式,并確定合理的煤柱寬度,對(duì)提高高瓦斯礦井厚煤層煤炭資源回采率和降低巷道返修率具有重要意義,也為潞安礦區(qū)類(lèi)似條件下巷道優(yōu)化布置提供了依據(jù)。

1 工程概況

余吾煤業(yè)S1202工作面長(zhǎng)300 m,走向長(zhǎng)度2144.6 m,可采儲(chǔ)量316.8萬(wàn)t。主采3＃煤層屬于不自燃煤層,但煤塵具有爆炸危險(xiǎn)性。3＃煤層容重1.39 t/m3,煤質(zhì)松軟,煤層傾角0°～10°,平均傾角為4.3°,平均煤厚5.89 m,煤層每開(kāi)采1 g可燃煤所產(chǎn)生瓦斯體積為9.20 m L。

S1202工作面采用雙U型巷道布置方式,回風(fēng)巷與瓦排巷之間煤柱為37.8 m,運(yùn)輸巷與進(jìn)風(fēng)巷之間煤柱為35.2 m。利用S1201進(jìn)風(fēng)巷(全長(zhǎng)1209 m)作為S1202回風(fēng)巷,并從S1201進(jìn)風(fēng)巷停掘位置繼續(xù)沿走向延伸1103 m。S1202工作面回風(fēng)巷已成巷段與瓦排巷之間每50 m布置一條橫貫,延伸段與瓦排巷之間每40 m布置一條橫貫,橫貫與鉆場(chǎng)同中線布置,如圖1所示;運(yùn)輸巷與進(jìn)風(fēng)巷之間每360 m布置一條橫貫。工作面切眼采用主輔切眼方式布置。

圖1 S1202工作面平面布置圖

S1202瓦排巷沿3＃煤層頂板掘進(jìn),直接頂為細(xì)粒砂巖,厚度為0～3.6 m,黑灰色,薄層狀,以平行層理為主;基本頂為中粒砂巖,厚度為0～7.95 m,黑灰色,中厚層狀,以遞變層理為主;偽頂為泥巖,厚度0～1.15 m,灰黑色,薄層狀;直接底為泥巖,厚度0～0.9 m,黑色,中厚層狀,含煤紋;老底為細(xì)粒砂巖,厚度0～2.47 m,灰黑色,厚層狀,以水平紋理為主。

S1202瓦排巷整體布置在背斜褶曲兩翼,從開(kāi)口處至1896 m為背斜西翼,從1896 m至輔助切眼為背斜東翼。巷道最高點(diǎn)位于距本巷開(kāi)口位置1896 m、標(biāo)高＋586 m(底板)處,最低點(diǎn)位于距本巷開(kāi)口位置199 m、標(biāo)高為＋466 m(底板)處,最高點(diǎn)和最低點(diǎn)高差為120 m。巷道為矩形斷面,凈高3.2 m,凈寬3.8 m,斷面積12.16 m2。

2 新型雙U型巷道布置方式

傳統(tǒng)雙U型巷道布置方式中,瓦斯排放巷兩側(cè)采用25～35 m的寬煤柱護(hù)巷,兩側(cè)工作面回采后巷道處于工作面?zhèn)认蛑С袘?yīng)力的疊加區(qū),巷道圍巖變形劇烈,維護(hù)困難,如圖2所示。

根據(jù)采動(dòng)支承應(yīng)力分布規(guī)律和基本頂破斷特征,提出了一種新型的雙U型巷道布置方式,巷道布置情況見(jiàn)圖3。由圖3可以看出,沿上區(qū)段采空區(qū)邊緣留小煤柱(煤柱Ⅰ)掘進(jìn)本工作面瓦斯排放巷,上區(qū)段工作面外圈進(jìn)風(fēng)巷作為本工作面內(nèi)圈回風(fēng)巷使用,本工作面瓦排巷和上工作面保留的外圈運(yùn)輸巷用作本工作面回風(fēng)巷,本工作面專(zhuān)用運(yùn)輸巷和進(jìn)風(fēng)巷用作進(jìn)風(fēng)巷,形成“兩進(jìn)兩回”巷道布置,稱(chēng)此布置方式為寬煤柱內(nèi)沿空掘巷。

圖2 傳統(tǒng)雙U型巷道布置方式

圖3 新型雙U型巷道布置方式

新型巷道布置方式中瓦排巷要經(jīng)歷采動(dòng)應(yīng)力劇烈調(diào)整的全過(guò)程,短期內(nèi)巷道維護(hù)非常困難,但最終巷道將穩(wěn)定在工作面?zhèn)认蛑С袘?yīng)力的降低區(qū)。為了進(jìn)行新型巷道布置,需要開(kāi)展如下兩方面的理論研究:煤柱內(nèi)沿空巷道上覆巖層結(jié)構(gòu)與穩(wěn)定機(jī)理分析;小煤柱合理寬度的確定。

3 新型巷道布置方式理論研究

3.1 沿空巷道圍巖穩(wěn)定性分析

根據(jù)綜放工作面礦壓理論,工作面回采后采空區(qū)上覆巖層垮落,基本頂形成O-X型破斷,如圖4所示。破斷后的基本頂巖塊在工作面端頭形成弧形三角塊,弧形三角塊在實(shí)煤體上方斷裂并向采空區(qū)方向旋轉(zhuǎn)下沉,弧形三角塊結(jié)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)及穩(wěn)定性直接決定了下方沿空留巷的圍巖應(yīng)力分布和變形規(guī)律。

圖4 綜放工作面基本頂破斷形態(tài)示意圖

從圍巖力學(xué)性質(zhì)和應(yīng)力環(huán)境來(lái)講,沿空巷道布置在基本頂弧形三角塊下方,一般在弧形三角塊形成穩(wěn)定結(jié)構(gòu)以后開(kāi)始沿空掘巷,而沿空巷道掘進(jìn)不會(huì)破壞弧形三角塊結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定狀態(tài);在鄰近工作面回采期間,受鄰近工作面采動(dòng)支承應(yīng)力作用,弧形三角塊結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定狀態(tài)將發(fā)生較大的改變,并通過(guò)直接頂巖層和巷道頂煤作用于沿空巷道。所以,基本頂弧形三角塊結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定是沿空掘巷圍巖穩(wěn)定的前提,該結(jié)構(gòu)的旋轉(zhuǎn)下沉是造成該類(lèi)巷道圍巖大變形的主要原因之一。現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐表明:沿空巷道在掘進(jìn)階段圍巖變形較小,在工作面回采階段巷道圍巖變形較大。

以余吾煤業(yè)S1202工作面瓦排巷為例,該巷道布置在上區(qū)段運(yùn)輸巷和回風(fēng)巷之間的煤柱內(nèi)且靠近上工作面的采空區(qū)邊緣,處于應(yīng)力降低區(qū)。受上區(qū)段工作面回采產(chǎn)生的側(cè)向支承應(yīng)力影響,實(shí)煤體邊緣將形成破碎區(qū)和塑性區(qū)(非彈性區(qū)),瓦排巷布置在此區(qū)域內(nèi),承載能力較低;在掘進(jìn)瓦排巷期間,瓦排巷小煤柱上覆弧形三角塊結(jié)構(gòu)不會(huì)受到大的影響,可以保持穩(wěn)定。但是,當(dāng)S1202工作面回采時(shí),受S1202工作面超前支承應(yīng)力和S1201工作面采空區(qū)側(cè)向支承應(yīng)力疊加,瓦排巷上方的基本頂弧形三角塊結(jié)構(gòu)將進(jìn)一步旋轉(zhuǎn)下沉,瓦排巷圍巖活動(dòng)劇烈、變形量大,尤其小煤柱兩側(cè)的破碎區(qū)向煤柱中部擴(kuò)展致使小煤柱煤幫嚴(yán)重鼓出。所以, S1202工作面回采期間應(yīng)特別加強(qiáng)瓦排巷頂板和小煤柱煤幫管理。

3.2 沿空掘巷小煤柱合理寬度計(jì)算

以基本頂弧形三角塊結(jié)構(gòu)為沿空掘巷的上邊界,以弧形三角塊結(jié)構(gòu)的S-R穩(wěn)定理論和基本頂給定變形為前提條件,采用極限平衡法研究綜放煤柱內(nèi)沿空掘巷小煤柱的合理寬度。

在煤柱中部位置,沿寬度方向取一單元,建立如圖5所示的力學(xué)模型,從煤柱非彈性區(qū)中取寬為dx、高為m的單元體進(jìn)行分析,單元體在垂直應(yīng)力σy、水平應(yīng)力σx、圍巖與頂、底板間的阻力T(T為摩擦力和殘余內(nèi)聚力C?之和)、冒落矸石及煤幫支護(hù)對(duì)煤壁約束力Px等力的作用下處于極限平衡狀態(tài),單元體x方向的極限平衡方程:

圖5 小煤柱極限平衡區(qū)受力分析

式中:Px——煤幫支護(hù)對(duì)煤壁的約束力;

m——煤層高度;

σx——水平應(yīng)力;

σy——垂直應(yīng)力;

T——圍巖和頂、底板間的摩擦阻力;

f——煤體與頂、底板間的摩擦系數(shù);

C?——煤體的殘余內(nèi)聚力。

3.2.1 沿空掘巷圍巖破碎區(qū)和塑性區(qū)寬度計(jì)算

根據(jù)彈塑性交界處應(yīng)力連續(xù)條件,在一定開(kāi)采深度和頂、底板條件下,彈塑性交界處(x＝x0)的支承應(yīng)力峰值P＝Kγ巖H。同時(shí)考慮實(shí)際生產(chǎn)中由于掘進(jìn)方法引起巖層擾動(dòng)將導(dǎo)致小煤柱非彈性區(qū)寬度擴(kuò)大,引入掘進(jìn)擾動(dòng)因子d,則由(1)式可以得到小煤柱非彈性區(qū)寬度的計(jì)算公式為:

式中:d——掘進(jìn)擾動(dòng)因子,不同掘進(jìn)方法對(duì)煤柱的擾動(dòng)程度也不一樣,機(jī)掘較炮掘擾動(dòng)程度小,d一般為1.5～3.0,機(jī)掘取1.5;

f——煤體與頂、底板間的摩擦系數(shù),f＝tanφ1,φ1為煤體與頂、底板間的內(nèi)摩擦角;

Kp——應(yīng)力系數(shù),Kp＝(1＋sinφ)/(1－sinφ),φ為煤層內(nèi)摩擦角;

σc——煤體單軸抗壓強(qiáng)度;

σc?——煤體殘余單軸抗壓強(qiáng)度;

K——應(yīng)力集中系數(shù);

γ巖——上覆巖層平均容重;

St——比例系數(shù),取0.5;

H——上覆巖層的埋深。

塑性區(qū)寬度:

破碎區(qū)寬度:

根據(jù)余吾煤業(yè)S1202工作面3＃煤層具體地質(zhì)條件和和實(shí)驗(yàn)室?guī)r塊力學(xué)測(cè)試結(jié)果,各參數(shù)取值為:γ巖＝2.5×104N/m3,m＝2.2 m,H＝639 m,K＝2.0,φ＝32°,φ1＝20°,d＝1.5,σc＝1.89×107Pa,σc?＝2.5×106Pa,M0＝1.0×109Pa,Px＝0,C?＝0.3× 106Pa。計(jì)算得非彈性區(qū)寬度x0為1.74 m,破碎區(qū)寬度x1為1.67 m。

3.2.2 合理煤柱寬度的確定

采用錨桿支護(hù)的區(qū)段平巷如果小煤柱過(guò)窄,受采動(dòng)支承應(yīng)力的作用,小煤柱破碎區(qū)較大而使錨桿安設(shè)在破碎圍巖中,錨桿錨固力急劇減小,錨桿支護(hù)作用降低。合理的煤柱寬度可由下式計(jì)算:

式中:B——煤柱的合理寬度;

x1——工作面采動(dòng)產(chǎn)生的破碎區(qū)寬度;

x2——巷道小煤柱幫錨桿有效長(zhǎng)度;

x3——考慮煤層厚度較大而增加的煤柱寬度,x3＝α(x1＋x2),α＝0.15～0.35,取0.25。

由式(2)計(jì)算得巷道非彈性區(qū)寬度為1.74 m,故取錨桿錨入煤體的深度為2.0 m,即x2＝2.0 m,所以煤柱設(shè)計(jì)寬度為4.59 m。考慮一定安全系數(shù),S1202瓦排巷沿空側(cè)護(hù)巷小煤柱合理寬度取為5 m。

4 結(jié)論

(1)根據(jù)采動(dòng)支承應(yīng)力分布規(guī)律和基本頂破斷特征,提出了一種新型雙U型巷道布置方式,此布置方式稱(chēng)為寬煤柱內(nèi)沿空掘巷。

(2)通過(guò)對(duì)綜放長(zhǎng)壁工作面上覆巖體破斷運(yùn)動(dòng)規(guī)律的研究,認(rèn)為小煤柱沿空巷道基本頂存在弧形三角塊結(jié)構(gòu),該結(jié)構(gòu)是小煤柱沿空掘巷的上部邊界,認(rèn)為弧形三角塊結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定是沿空掘巷圍巖穩(wěn)定的前提,該結(jié)構(gòu)的旋轉(zhuǎn)下沉是造成該類(lèi)巷道圍巖大變形的主要原因之一。

(3)通過(guò)對(duì)沿空巷道力學(xué)模型的分析,建立了小煤柱極限平衡方程,推導(dǎo)出煤柱內(nèi)沿空掘巷煤柱寬度計(jì)算公式,并根據(jù)余吾煤業(yè)具體條件,最終確定S1202瓦排巷沿空側(cè)護(hù)巷煤柱合理寬度為5 m。該方法對(duì)類(lèi)似條件下沿空掘巷合理煤柱尺寸的研究有一定的理論借鑒意義。

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(責(zé)任編輯 郭東芝)

Stability analysis on surrounding rock of gob-side entry in coal pillar in highly gassy mine

Su Hai
(1.Faculty of Resources&Safety Engineering,China University of Mining and Technology,Beijing,Haidian,Beijing 100083,China; 2.Yuwu Coal Industry Group Co.,Ltd.,Shanxi Lu＇an Mining Group,Changzhi,Shanxi 046103,China)

Fully mechanized caving faces in thick seam of highly gassy mine usually adopt double U-type drift layout pattern,the leaving and layout of coal pillar between roadways were very important.Based on the conditions of S1202 working face in Yuwu Coal Industry of Shanxi Lu＇an Mining Group,a new type roadway layout form named gob-side entry driving in wide coal pillar was put forward.Through the research on the motion law of overlying rock mass fracture in fully mechanized caving face,the stability of arc-shaped triangular block structure in main roof of gob-side entry was the premise of the surrounding rock stability of gob-side entry.The mechanical model of smaller coal pillar was set up and the computational formula of smaller pillar width was proved,and finally the reasonable width of gob-side entry protection coal pillar of S1202 gas drainage roadway was 5 m,which provided the basis to optimized layout of roadways in Lu＇an mining area.

highly gassy mine,fully mechanized caving mining of thick seam,two-roadway layout,gob-side entry driving in coal pillar,arc-shaped triangular block structure,coal pillar width

TD322.4

A

蘇海(1973－),男,山西長(zhǎng)治人,中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)在讀博士,主要從事煤礦生產(chǎn)技術(shù)管理工作。