同忻礦特厚煤層小煤柱沿空掘巷分段支護設計研究

徐 昕,劉建偉,康國峰

(同煤國電同忻煤礦有限公司,山西 大同 037001)

我國煤炭資源儲量豐富,特厚煤層廣泛分布于各大礦區。隨著經濟發展,煤炭資源開采逐漸趨于精細化[1-2],特厚煤層開采時巷道支護問題逐漸成為重要研究課題。許多學者對特厚煤層大采高工作面沿空掘巷巷道支護進行了研究[3-4]。但對雙系煤層開采條件下,特厚煤層綜放工作面受上覆采空區影響的小煤柱沿空掘巷分段支護設計研究還有很大研究空間[5]。本文通過理論計算、數值模擬、工程類比及礦壓觀測等方法對采空區下特厚煤層大采高綜放工作面沿空掘巷留設6 m小煤柱的條件進行分析并提出了合理支護方案。

1 工程概況

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

圖1 8202工作面 8203面采空區位置圖

圖2 5202巷變形嚴重圖

8205工作面回采長度為1 500 m,預計一條煤柱損失煤炭約130萬t。8205面與8207面采空區位置關系見圖3。5205巷上覆有侏羅系采空區,層間距約220 m～238 m。為解決煤炭資源損失嚴重及區段寬煤柱壓力大等問題,同忻礦決定采用沿空掘巷法,該法可降低區段寬煤柱集中應力。窄煤柱位于巖層三角滑移區保護之下能夠保持穩定。依據資料[6]可以做出判斷:8207采空區形成已距今1 a～1.5 a,對5205巷掘巷不會產生大的影響。為此,論文采用多種方法綜合對5205巷沿空掘巷的煤柱寬度和巷道支護形式進行研究。

圖3 8205面、5205巷與8207面采空區位置關系圖

2 窄煤柱寬度理論分析

區段煤柱應力峰值距采空區邊緣的距離可根據以下公式計算得出:

式中:M為煤層厚度,15 m;β為側壓系數,0.91(根據同忻礦二盤區地應力測試報告:5205巷道長軸方向為NEE方向,方位角為234.255°,這個方向與最大主應力方向基本一致。因此,在計算β時,實際的側向壓力為最小主應力。根據原巖應力測試得出,β=0.91);φ0為煤層內摩擦角,28°;C0為煤層內部黏聚力,1.8 MPa;Px為采空區對煤柱側向約束力,0。代入相關參數計算得出不同開采煤厚時的支承壓力降低區范圍,見圖4。8205面煤層平均厚度為13.76 m。

圖4 不同開采厚度側向支承壓力降低區距離

由圖4可知,平均應力降低區范圍為14.3 m～15.4 m。考慮到5205巷沿空掘巷寬度為5.5 m,為保證巷道處于應力降低范圍內,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系及煤柱隔絕采空區氣體等要求,確定煤柱寬度為6 m。依據相關資料[7],煤柱影響系數取1.4,可估算應力降低范圍約為11.4 m。故而,留設6 m小煤柱可以滿足要求。

3 巷道支護方案設計

3.1 巷道支護分段模擬研究

圖5 巷道工程地質圖

5202工作面上方存在寬度不一的煤柱、采空區,見圖5、圖6。選用ABAQUS數值模擬軟件對侏羅系遺留煤柱垂直應力進行模擬,見圖7。

圖7中的紅線為應力監測線。由圖7知4個采空區下都為應力降低區,說明侏羅系遺留煤柱對掘巷期間的小煤柱無太大影響。為進一步分析侏羅系遺留煤柱對5205沿空巷護巷煤柱的影響,用ABAQUS有限元軟件對8207工作面開挖后以及8205面回采至遺留煤柱(F-G)下時的煤柱應力進行分析,見圖8、圖9。根據煤柱應力狀態,可分段為采空區影響區(A-B、E-F、G-H、I-J)、煤柱不影響區(C-D、K-L)與煤柱影響區(B-C、D-E、F-G、H-I、J-K)。A-K各點距西二盤區回風大巷的距離如表1所示。

圖6 8205、8207工作面巷道空間位置關系圖

圖7 侏羅系遺留煤柱垂直應力模擬結果

表1 巷道煤柱影響區位置表

由圖7知8205工作面回采至遺留煤柱(F-G)下時,底板應力與8205面采動應力疊加作用使得5205巷受到的采動影響加劇。主要影響發生在回采期間(不是掘進期間),影響的主要位置為超前工作面煤幫側面。因此,需要依據應力狀態對5205巷進行分段支護設計進行強化。除去應力影響小的范圍及已有巷道,對5205巷進行沿空段的支護設計,不存在實體煤段,故對實體煤段的支護情況不予考慮,特此說明。

圖8 8207面開挖后3-5#煤層垂直應力云圖

圖9 8205面回采至遺留煤柱(F-G)下時3-5#煤層垂直應力云圖

3.2 5205巷分段支護設計方案

結合上述分析,參照《巷道頂板錨桿基本支護形式與主要支護參數》《節理、層理發育程度分級》。使用工程類比法參照千秋礦與塔山礦小煤柱開采的巷道支護形式(千秋礦、塔山礦與同忻礦生產條件類似)。根據高強度錨桿支護巷道圍巖強化強度理論,錨固平衡理論和錨索的懸吊補強理論。按照錨桿、錨索耦合支護原則和動態系統設計方法等,結合同忻礦以往巷道支護及現場監測數據和5205巷的圍巖力學特性等來確定錨桿、錨索支護密度及長度等,確定參數如下:

1)錨桿長度為:L=2 500 mm、Φ=22 mm。

2)錨桿間排距為:900 mm×900 mm。

3)頂錨索長度:6.3 m和8.3 m兩種。

4)頂錨索排距:因為錨索排距一般不大于錨索長度的1/2,所以排距小于3 m或4 m即可。為確保支護效果,排距取1.8 m滿足要求。

5)每排錨索數目:按1.8 m的排距在頂部每排布置6根進行加強。

具體方案設計如下:

1)采空區影響段

a.巷道頂板支護設計:每排6根錨桿,排距900/1 800 mm,間距900 mm;每兩排錨桿打一排錨索,排距2 700 mm,間距900 mm;每兩排錨桿打一排錨索,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短節工字鋼,兩排錨桿中部加一套組合錨索(5根),具體見圖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,成對角布置。5205巷臨近8205工作面開切眼位置前50 m,后20 m范圍內組合錨索排間距減小為1 800 mm×1 800 mm(組合錨索個數一排由兩個變成三個),見圖12。

c.巷道兩幫支護設計。采煤幫支護:錨桿排距900 mm,間距900 mm,直徑Φ22 mm,桿長為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,金屬網為50 mm×50 mm 的網格菱形金屬網,見圖12。

煤柱幫支護:錨桿支護與采煤幫支護相同。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。金屬網規格同采煤幫,見圖13。

圖10 5205巷采空區影響段支護圖

圖11 5205巷采空區影響段頂板支護平面圖

圖12 5205巷采空區影響段采煤幫支護平面圖

圖13 5205巷采空區影響段煤柱幫支護平面圖

2)煤柱影響段

對比與采空區影響段的不同之處:

a.巷道頂板支護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。

其它與采空區影響段的支護形式完全相同,組合錨索的布置也完全相同。

4 礦壓監測

為驗證設計方案效果,用“十字布點法”對分段支護巷道頂底板及兩幫移近量進行監測,監測位置為分段支護巷道中部。結果顯示:

1)5205巷在掘進期間,采空區影響段頂底板移近量最大值是13.12 mm,兩幫移近量最大11.21 mm;煤柱影響段巷道頂底板最大移近量20.18 mm,兩幫最大移近量23.34 mm。

2)5205巷在回采期間,將礦壓測點布置在工作面前方40 m處。結果顯示:采空區影響段5205巷頂底板移近量最大26.85 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。

總體來看,巷道變形量時較小,說明所設計的分段支護方案能夠滿足安全生產需要。

5 結論

1)通過理論計算確定煤柱采空區側應力降低區寬度為14.3 m～15.4 m,并確定5205巷沿空掘巷小煤柱寬度為6 m。經ABAQUS數值模擬確定出5205巷前方不同結構下煤柱應力分布情況,并據此確定出5205巷煤柱上方分為采空區影響區域和煤柱影響區域,需分開設計。

2)根據理論計算、工程類比及現場監測確定出采空區及煤柱影響段支護方案為錨桿索主支護與組合錨索輔助支護相結合的支護形式。

3)現場礦壓監測顯示:5205巷最大移近量在8205工作面回采期間的煤柱影響段,頂底板移近量最大值38.20 mm,兩幫移近量最大值43.24 mm。說明巷道能滿足安全生產需要,設計合理,支護有效。