近距離殘采煤柱下巷道合理支護(hù)技術(shù)研究

李景鋒

(山西煤炭運(yùn)銷集團(tuán) 金達(dá)煤業(yè)有限公司,山西 呂梁 032300)

煤炭是寶貴的不可再生資源[1],20世紀(jì),因開采技術(shù)及裝備的落后[2],大量優(yōu)質(zhì)資源采用房柱式采煤法開采[3],造成優(yōu)質(zhì)資源的極大浪費(fèi)[4],近距離優(yōu)質(zhì)煤層隨機(jī)開采,在近距離煤層中形成大量舊空區(qū)-煤柱結(jié)構(gòu)[5]。近年來,因技術(shù)裝備的不斷進(jìn)步,使得對近距離優(yōu)質(zhì)煤炭資源回收開采成為可能[6],隨著資源的枯竭,近距離煤層資源量大的客觀條件,使得對近距離區(qū)采煤進(jìn)行復(fù)采勢在必行[7]。但我國面臨近距離煤層舊空區(qū)煤柱下開采的難題,煤柱下巷道支護(hù)的問題已成為我國學(xué)者研究的重點(diǎn)課題[8]。

孔德中等學(xué)者[9]通過數(shù)值模擬的方法對極近距離煤層回采巷道合理布置位置進(jìn)行研究,研究表明巷道主要破壞原因?yàn)樯细裁簩邮┘拥牟粚ΨQ應(yīng)力,并確定巷道的合理布置位置。陳蘇社等學(xué)者[10]通過數(shù)值模擬及現(xiàn)場實(shí)測的方法對不同寬度的區(qū)段煤柱下巷道合理布置問題進(jìn)行研究,并確定不同寬度區(qū)段煤柱時(shí)巷道的合理布置位置。

很多學(xué)者對區(qū)段煤柱下巷道的穩(wěn)定性進(jìn)行研究,但對于極近距離煤層舊空區(qū)-小煤柱群下巷道的穩(wěn)定性及合理支護(hù)方式卻鮮有研究,本文通過理論計(jì)算、工程類比及FLAC數(shù)值模擬的研究方法對極近距離煤層開采時(shí),下覆煤層巷道的合理支護(hù)方式進(jìn)行研究。

1 工程概況

山西煤炭運(yùn)銷集團(tuán)金達(dá)煤業(yè)有限公司位于山西省呂梁市,主要可采煤層為10#、11#煤層,屬于極近距離煤層,層間距平均為6.9 m,10#煤為小煤窯破壞區(qū),埋深為213 m,11#煤層為綜采煤層,如圖1、圖2所示,分別為10#煤層內(nèi)舊空區(qū)-小煤柱群示意圖和工作面回采示意圖。舊空區(qū)寬度為5 m,煤柱寬度為5 m～15 m。

圖1 舊空區(qū)-走向小煤柱群示意圖Fig.1 Diagram of old goaf-small coal pillar group

圖2 工作面回采示意圖Fig.2 Diagram of working face mining

2 數(shù)值模擬

2.1 模型建立

根據(jù)柳灣煤礦11#煤層綜合柱狀圖建立數(shù)值模擬模型長×寬×高=244 m×150 m×100 m,模型共劃分617 085個節(jié)點(diǎn),582 480個單元格,為準(zhǔn)確模擬巷道塑性區(qū)發(fā)展規(guī)律,巷道周圍網(wǎng)格進(jìn)行加密處理,因10#煤舊空區(qū)煤柱寬度越大,對下覆煤層開采影響越強(qiáng)烈,因此,本次數(shù)值模擬只模擬舊空區(qū)煤柱為15 m的情況,以此來確定近距離煤層開采巷道的合理支護(hù)參數(shù)。模型四周及底部固支,頂部施加5.6 MPa原巖應(yīng)力。數(shù)值模擬模型如圖3所示，表1為模擬參數(shù)表。

圖3 數(shù)值模擬模型Fig.3 Numerical simulation model

巖石彈性模量/GPa泊松比抗拉強(qiáng)度/MPa抗壓強(qiáng)度/MPa內(nèi)聚力/MPa內(nèi)摩擦角/(°)煤層15.70.271.252.342.630K2灰?guī)r16.40.222.543.574.131K3灰?guī)r16.70.212.183.144.534泥巖22.20.232.824.615.324砂巖25.70.257.69.2510.131砂頁巖11.330.312.314.513.7230頁巖12.300.322.345.244.1730黑色泥巖20.40.242.614.224.8627

2.2 數(shù)值模擬方案

根據(jù)懸吊理論經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算錨桿索長度及間排距,結(jié)合工程類比法,共提出16個巷道支護(hù)方案,根據(jù)工作面的地質(zhì)力學(xué)條件,采用工程類比、理論分析,結(jié)合數(shù)值模擬排除不合理的支護(hù)方案,最終選定以下六個方案作為數(shù)值模擬的對比方案,如表2所示,其中方案一為礦上現(xiàn)采用方案,巷道長×寬=4 m×3 m。

表2 數(shù)值模擬方案表Table 2 Numerical simulation plan

2.3 模擬結(jié)果分析

圖4所示為各方案巷道圍巖塑性區(qū)云圖,監(jiān)測位置為工作面進(jìn)入煤柱后,工作面前方30 m處塑性區(qū)云圖。

圖4 各方案巷道圍巖塑性區(qū)云圖Fig.4 Plastic zone nephogram of roadway surrounding rock in different plans

回采巷道采用方案一進(jìn)行支護(hù)時(shí),工作面前方30 m處巷道頂板破壞深度為4 m,底板破壞深度為1 m,兩幫破壞深度為4.5 m,超過錨桿錨固范圍,上覆空區(qū)煤柱下方破壞深度為4 m,與巷道頂板塑性區(qū)貫通,說明該支護(hù)方案無法滿足安全生產(chǎn)要求;回采巷道采用方案二進(jìn)行支護(hù)時(shí),工作面前方30 m處巷道頂板破壞深度為1 m,底板破壞深度為1 m,兩幫破壞深度為1 m,上覆空區(qū)煤柱下方破壞深度為4 m,局部破壞延伸到7.5 m,煤柱塑性區(qū)發(fā)生貫通,錨索懸吊區(qū)巖石整體垮落,說明該支護(hù)方案無法滿足安全生產(chǎn)要求;回采巷道采用方案三進(jìn)行支護(hù)時(shí),工作面前方30 m處巷道頂板破壞深度為0.5 m,底板破壞深度為1 m,兩幫破壞深度為1 m,上覆空區(qū)煤柱下方破壞深度為4 m,局部破壞延伸到6 m,煤柱塑性區(qū)發(fā)生貫通,錨索懸吊區(qū)巖石整體垮落,說明該支護(hù)方案無法滿足安全生產(chǎn)要求;回采巷道采用方案四進(jìn)行支護(hù)時(shí),工作面前方30 m處巷道頂板破壞深度為0.5 m,底板破壞深度為1 m,兩幫破壞深度為1 m,上覆空區(qū)煤柱下方破壞深度為0 m,錨索懸吊區(qū)巖層整體穩(wěn)定性較好,說明該支護(hù)方案能夠滿足安全生產(chǎn)要求;回采巷道采用方案五進(jìn)行支護(hù)時(shí),工作面前方30 m處巷道頂板破壞深度為1 m,底板破壞深度為1 m,兩幫破壞深度為2.5 m,超過錨桿錨固范圍,上覆空區(qū)煤柱下方破壞深度為4 m,局部破壞延伸到7.5 m,煤柱塑性區(qū)發(fā)生貫通,錨索懸吊區(qū)巖石整體垮落,說明該支護(hù)方案無法滿足安全生產(chǎn)要求;回采巷道采用方案六進(jìn)行支護(hù)時(shí),工作面前方30 m處巷道頂板破壞深度為0.5 m,底板破壞深度為1 m,兩幫破壞深度為1.5 m,上覆空區(qū)煤柱下方破壞深度為4 m,局部破壞延伸到7.5 m,煤柱塑性區(qū)發(fā)生貫通,錨索懸吊區(qū)巖石整體垮落,說明該支護(hù)方案無法滿足安全生產(chǎn)要求。

圖5為工作面進(jìn)入煤柱后工作面前方30 m處巷道頂?shù)装寮皟蓭蛶鸵平壳€，由圖可知，巷道采用方案四支護(hù)時(shí)，其頂?shù)装逡平孔钚H為37.65 mm，兩幫移近量最小為48.57 mm，而采用方案一時(shí)，巷道頂?shù)装逡平孔畲鬄?43.29 mm，兩幫移近量最大為168.25 mm。與其他方案相比，巷道采用方案四支護(hù)時(shí)，能夠保證巷道在回采期間的安全使用。

圖6為巷道支護(hù)方案圖。經(jīng)過工程實(shí)際應(yīng)用，巷道采用以下方案支護(hù)時(shí)，巷道穩(wěn)定性較好，工作面進(jìn)入煤柱后，工作面前方頂?shù)装遄畲笠平繛?1 mm，兩幫最大移近量僅為38 mm，與數(shù)值模擬結(jié)果接近，說明巷道穩(wěn)定性較好，能夠滿足安全生產(chǎn)需求。

圖5 巷道變形曲線Fig.5 Deformation curves of roadways

圖6 巷道支護(hù)方案圖Fig.6 Supporting plan of roadway

3 結(jié)論

通過理論計(jì)算及工程類比確定6個數(shù)值模擬支護(hù)方案。通過數(shù)值模擬計(jì)算比較分析,最終確定巷道的合理支護(hù)方案為錨桿:Φ22 mm×2 200 mm的螺紋鋼錨桿,間排距為頂800 mm×800 mm,幫950 mm×800 mm,錨索Φ18.9 mm×6 300 mm的鋼絞線,間排距為1 600 mm×1 600 mm。通過對所設(shè)計(jì)支護(hù)方案進(jìn)行現(xiàn)場應(yīng)用,并對巷道圍巖變形量進(jìn)行現(xiàn)場測試,頂?shù)装遄畲笠平繛?1 mm,兩幫最大移近量為38 mm,與數(shù)值模擬結(jié)果相近,巷道支護(hù)效果良好。

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