三軟煤層往復(fù)式無煤柱開采技術(shù)

王效勇，王發(fā)達(dá)，張貴銀

(1.山東華恒礦業(yè)有限公司, 山東新泰市 271200；2.山東科技大學(xué)礦業(yè)與安全工程學(xué)院, 山東青島市 266590)

三軟煤層往復(fù)式無煤柱開采技術(shù)

王效勇1，王發(fā)達(dá)1，張貴銀2

(1.山東華恒礦業(yè)有限公司, 山東新泰市 271200；2.山東科技大學(xué)礦業(yè)與安全工程學(xué)院, 山東青島市 266590)

永安煤礦主采煤層M7為三軟煤層，在生產(chǎn)過程中遇到了采掘接續(xù)失衡、軟巖支護(hù)困難等問題。為保證安全生產(chǎn)，運用理論分析、數(shù)值模擬和現(xiàn)場試驗等方法，對采區(qū)巷道布置進(jìn)行了優(yōu)化，形成了適合三軟煤層條件的往復(fù)式采煤方法；確定了“高強度金屬粗尾讓壓錨桿+W鋼帶+金屬網(wǎng)+錨索”的軟巖巷道聯(lián)合支護(hù)方式；提出了一種“讓壓可縮巷旁充填留巷技術(shù)”，并確定了合理的巷旁充填體參數(shù)。

三軟煤層；往復(fù)式采煤方法；讓壓可縮充填；軟巖支護(hù)

建國以來,我國普遍推行長壁后退式采煤法,存在煤柱丟失嚴(yán)重、工作面搬家效率低等缺點。從國外情況來看,美國、前蘇聯(lián)、西德均采用往復(fù)式開采來減少綜采設(shè)備的搬遷[1]。往復(fù)式開采可以實現(xiàn)連續(xù)開采,節(jié)省大量的搬遷工作量,降低搬家費用,對于解決礦井生產(chǎn)接續(xù)緊張的問題作用明顯。目前,我國的綜采工作面多設(shè)在頂?shù)装鍡l件較好的緩傾斜近水平中厚煤層中,如果相鄰采區(qū)巷道均已掘出或已生產(chǎn),只要對巷道稍加改進(jìn),就可實現(xiàn)區(qū)間往復(fù)式和區(qū)內(nèi)往復(fù)式開采。

在我國的南部地區(qū),煤層地質(zhì)條件復(fù)雜,存在相當(dāng)多的三軟煤層,軟巖支護(hù)成為煤礦開采中的重中之重。回采巷道采用傳統(tǒng)支護(hù)方式,如工字鋼支架、U型鋼可縮支架支護(hù)時不僅在掘進(jìn)期間圍巖變形劇烈,而且在服務(wù)期間需多次翻修,巷道維護(hù)極為困難。因此,尋求一種有效的支護(hù)方法具有重要意義。

1 工程概況

永安煤礦礦區(qū)南北方向凈長2.3 km,東西方向凈寬為1.3 km,面積2.9943 km2,開采深度2950～2400 m。可采煤層為M7,煤厚平均為1.45 m,傾角22.5°,煤質(zhì)較軟,直接頂板為泥巖和泥質(zhì)粉砂巖,厚度4.04m,直接底板為黑色泥巖,厚度1.6m,其煤層屬于三軟煤層。礦區(qū)北翼采區(qū)為本工程的試驗采區(qū),有3個工作面。

2 往復(fù)式采煤巷道布置

根據(jù)永安煤礦煤層賦存條件,若采區(qū)全部采用后退式回采,煤礦面臨的采掘壓力較大,巷道掘進(jìn)工程量較大,尤其是三軟煤層的支護(hù)比較困難,同時區(qū)段之間需留設(shè)煤柱,煤炭資源浪費嚴(yán)重,不利于煤礦經(jīng)濟效益的提升。若采區(qū)全部采用前進(jìn)式回采,在采煤工作面生產(chǎn)的同時需在原回采巷道基礎(chǔ)上超前掘進(jìn)一段距離,采掘干擾嚴(yán)重。采用往復(fù)式采煤方法則兼具上述2種方式的優(yōu)點,宜在礦區(qū)內(nèi)推廣應(yīng)用。

如圖1所示,在1703工作面采用前進(jìn)式走向長壁法開采后,為緩解采掘接替緊張、工作面搬家困難的局面,在1704工作面采用后退式走向長壁開采,同時1705工作面開始掘進(jìn)巷道,為下一區(qū)段的采煤做好準(zhǔn)備。為解決往復(fù)式開采通風(fēng)問題,專門開掘了一條邊界回風(fēng)上山。在1703工作面開采后期,開始在1703運輸巷末端作切眼,當(dāng)1703工作面開采完畢,工作面設(shè)備直接搬運至1704工作面開切眼,極大地提高了搬家效率,同時也減少了煤柱損失,提高了煤炭資源回收率。

圖1 北翼采區(qū)巷道布置

圖2 巷道斷面形狀及理想狀態(tài)下等效圓示意

3 回采巷道支護(hù)方案

錨桿支護(hù)屬于主動支護(hù)方式,可提高巷道支護(hù)效果,降低支護(hù)成本。根據(jù)國內(nèi)外其他礦井的相關(guān)經(jīng)驗,永安煤礦三軟煤層巷道確定采用錨桿并輔以錨索加強支護(hù)的聯(lián)合支護(hù)形式。

3.1 巷道支護(hù)參數(shù)計算

3.1.1 錨桿長度計算

采用圍巖松動圈理論,計算頂板及兩幫錨桿長度[2],圖2為巷道斷面形狀及理想狀態(tài)下等效圓示意圖。等效圓半徑[2]為:

式中:a——巷道兩幫間距,m；

h——巷高,m。

根據(jù)巷道斷面尺寸知:a＝2.4 m,h＝3.0 m,代入

式(1)可得,r＝1.81 m。

將梯形巷道轉(zhuǎn)化為等效圓后,其塑性區(qū)半徑或巷道開挖后圍巖塑性變形半徑R0[3]為:

式中:r——梯形巷道等效轉(zhuǎn)化后塑性區(qū)半徑,m；

P——試驗巷道地應(yīng)力,MPa；

C——煤層粘聚力,MPa；

φ——煤層內(nèi)摩擦角,(°)。

根據(jù)巷道監(jiān)測結(jié)果地應(yīng)力取值15.0 MPa,煤層內(nèi)摩擦角取值37°,煤層粘聚力取值2.38 MPa,可得R0＝2.53 m。

頂板塑性區(qū)范圍[3]為a1＝R0-h/2＝1.03 m,兩幫塑性區(qū)范圍為a2＝R0-a/2＝1.43 m。

頂錨桿長度為L頂＝a1+L0+H1。

式中,H1為錨桿錨固有效長度,m；L0為錨桿外露長度,m。

根據(jù)現(xiàn)場情況,取L0＝0.1 m,H1＝0.5 m,可得L頂＝1.63 m,考慮梯形斷面,頂錨桿長度可取2.0 m。同樣的,幫錨桿長度可得出L幫＝1.83 m,故幫錨桿長度可取2.0 m。

3.1.2 錨桿間排距計算

錨桿間距可根據(jù)擠壓加固拱理論得出:

式中:a0——錨桿間排距,m；

b——拱形帶范圍,m；

α——錨桿控制角,(°)；

L——錨桿支護(hù)有效長度,m。

將已知數(shù)據(jù)代入可知,錨桿間排距a0理論值為600 mm。

3.1.3 錨索支護(hù)參數(shù)

錨索長度研究類似錨桿,可用懸吊原理,其長度為:

式中:H1——堅硬巖層中的錨索長度,m；

H——軟巖的范圍或者直接頂厚度,m；

L2——錨索的外漏長度,m。

H1取0.5 m,L2取0.3 m,直接頂厚度取4.04 m,可得錨索長度L＝4.84 m,錨索長度可選5 m規(guī)格。

錨索安裝困難,不易密集錨入巖層,其間距可計算如下:

式中:a’——頂錨桿間排距,1 m；

P1——理想狀態(tài)下,錨索能承受的最大拉應(yīng)

力,取230 kN；

k——碎脹系數(shù),此處主要指直接頂,取0.6～

0.7；

f——砂質(zhì)泥巖的普氏系數(shù),根據(jù)實驗室結(jié)果

取4～5；

B——巷道寬度為2.4 m；

γ——上覆巖層的平均容重為20 kN/m3；

P2——理想狀態(tài)下,錨桿能承受的最大拉應(yīng)

力,取55 kN；

α——近巷幫錨桿與巷道上邊夾角,75°。

代入數(shù)據(jù)可得,L0＝3.53 m,可取3.5 m。

以上計算得出的錨桿參數(shù)只是理論值,并不能直接用于現(xiàn)場支護(hù),綜合巷道的支護(hù)成本與支護(hù)效果,應(yīng)通過數(shù)值模擬和現(xiàn)場試驗等手段選擇最合理的支護(hù)方案。

3.2 巷道支護(hù)方案數(shù)值模擬

根據(jù)巷道支護(hù)參數(shù)的分析,設(shè)計了兩種巷道支護(hù)方案,方案一是普通螺紋錨桿+W型鋼帶+金屬網(wǎng)+錨索的聯(lián)合支護(hù)方式,方案二是高強度金屬粗尾讓壓錨桿+W型鋼帶+金屬網(wǎng)+錨索的聯(lián)合支護(hù)方式。其模擬效果如圖3、圖4、圖5所示。

圖3 回采期間頂板移近量變化云圖

圖4 回采期間兩幫移近量變化云圖

圖5 回采期間塑性區(qū)變化云圖

總體來看,巷道在回采期間,方案一巷道頂?shù)装逡平考s為500 mm,兩幫移近量為600 mm,方案二巷道頂?shù)装逡平考s為100 mm,兩幫移近量為200 mm,方案一的圍巖塑性區(qū)反為比方案二大,據(jù)此分析,最終選擇方案二對巷道進(jìn)行支護(hù),即“高強度金屬粗尾讓壓錨桿+W型鋼帶+金屬網(wǎng)+錨索”的聯(lián)合支護(hù)方法。

4 沿空留巷巷旁支護(hù)設(shè)計

4.1 讓壓可縮巷旁充填結(jié)構(gòu)模型

所謂讓壓可縮巷旁充填,主要是巷旁充填體具有一定的變形量,受上覆巖層作用產(chǎn)生壓縮變形,使其能夠在覆巖巖層彎曲下沉過程中起到讓壓、隔絕采空區(qū)作用。如圖6所示。

圖6 讓壓可縮巷旁充填留巷

4.2 充填體參數(shù)確定

4.2.1 充填體寬度

根據(jù)礦壓控制理論[4],巷道充填體應(yīng)處于內(nèi)應(yīng)力場內(nèi),故充填體寬度[5]為

1703工作面各參數(shù)取值如下:采深H＝343.5 m,γ＝1.45 kN/m3,Hg＝10.8 m,Kmax＝1～2,取1.7,Ci＝15 m,σ＝0.22 MPa,h＝1.6 m,。將以上數(shù)據(jù)代入式(6),得S0＝1.76 m,現(xiàn)行的沿空留巷中充填體墻的寬度一般取采高的0.9倍,以1703面為例,采高1.6 m,則充填體墻寬度應(yīng)為1.5 m,與所得內(nèi)應(yīng)力場范圍作對比,可知充填體寬度1.5 m＜1.76 m滿足要求。

4.2.2 柔性充填體高度

沿空留巷要求充填體材料在經(jīng)濟可靠地原則下強度盡可能的小(強度與成本一般成正比關(guān)系),因此充填體的工作狀態(tài)應(yīng)為“給定變形”[4],充填體最理想的狀態(tài)為僅支承巷道范圍內(nèi)直接頂?shù)闹亓浚欢细矌r層的重量由采空區(qū)破碎巖石與采空側(cè)煤體共同支承。

由力學(xué)平衡式,可令老頂斷裂與采空區(qū)矸石剛接觸時充填體的壓縮量為Δh1,在上覆巖層作用下,矸石壓實,此時充填體的壓縮量[5]為Δh2,則柔性充填體高度:

根據(jù)生產(chǎn)情況得知le＝5.2 m,代入上式得hr＝0.45 m,即柔性充填體高度為0.45 m。

4.2.3 留巷方案

設(shè)計采用木垛+混凝土塊的留巷充填方案,根據(jù)前面對于充填體結(jié)構(gòu)參數(shù)和可變形體高度的研究,得到混凝土塊高度1.15m,寬度1.5m,木垛高度0.45 m,寬度1.5 m。本方案中混凝土塊的尺寸為1.5 m×1.5 m×1.15 m,混凝土塊在地面用模具提前預(yù)制成型,通過輔助運輸手段運送至井下工作面,強度高,成本低,同時混凝土塊與木垛的組合達(dá)到了留巷的各項經(jīng)濟技術(shù)指標(biāo)[6]。

5 結(jié) 論

運用理論分析、力學(xué)分析、數(shù)值模擬、現(xiàn)場試驗等方法對永安煤礦“三軟煤層”往復(fù)式采煤方法進(jìn)行了深入研究,得到了以下主要結(jié)論:

(1)根據(jù)永安煤礦煤層地質(zhì)條件,提出了往復(fù)式采煤方法,并對永安煤礦的巷道布置進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計,為往復(fù)式開采提供了必要條件。

(2)通過理論分析,確定了軟巖回采巷道采用“高強度金屬粗尾讓壓錨桿+W型鋼帶+金屬網(wǎng)+讓壓免張拉預(yù)應(yīng)力錨索”聯(lián)合支護(hù)方案。

(3)提出了一種新型無煤柱開采模式——讓壓可縮巷旁充填留巷技術(shù),確定了永安煤礦沿空留巷剛性充填體寬度1.5 m,高度1.15 m,柔性充填體高度0.45 m。

[1]楊本生,梁 苗,趙明洲.往復(fù)式開采技術(shù)的應(yīng)用實踐[J].煤炭工程,2009.

[2]李桂臣,張 農(nóng).高地應(yīng)力巷道斷面形狀優(yōu)化數(shù)值模擬研究[J].中國礦業(yè)大學(xué)學(xué)報,2010(9).

[3]張 川.軟弱特厚煤層綜放回采巷道支護(hù)技術(shù)研究及應(yīng)用[D].青島:山東科技大學(xué).2011.

[4]宋振騏.實用礦山壓力與控制[M].北京:中國礦業(yè)大學(xué)出版社,1988.

[5]文志杰.無煤柱沿空留巷控制力學(xué)模型及關(guān)鍵技術(shù)研究[D].青島:山東科技學(xué).2011.

[6]魏勝利.三軟煤層復(fù)采工作面無煤柱沿空掘巷支護(hù)技術(shù)[J].煤炭科學(xué)技術(shù),2010(12):33-35.

[7]王 勇.“三軟”傾斜煤層沿空留巷巷旁支護(hù)技術(shù)研究[D].重慶:重慶大學(xué).2012.

2015-03-08)

張貴銀(1989-)，男，山東菏澤人，碩士研究生，Email:zgy890627＠163.com。