王莊煤礦厚煤層綜采工作面窄煤柱沿空掘巷圍巖控制技術研究

田計宏

(山西潞安環保能源開發股份有限公司 王莊煤礦,山西 長治 046031)

1 工程概況

王莊煤礦9107綜采工作面開采平均煤厚為6.08 m的3號煤層,煤田總體呈現由西北向西南擴展的單斜構造,傾斜角度2°～6°。沿著煤層底板布置寬×高分別為5.0 m×3.6 m的矩形巷道,巷道頂板和底板主要由砂質泥巖、泥巖、粉砂巖和石灰巖組成。巷道直接頂為平均厚度7.44 m的砂質泥巖,巷道基本頂為平均厚度2.2 m的粉砂巖,直接底為平均厚度2.15 m的泥巖,老底為平均厚度8.6 m的石灰巖。根據現場的鉆孔情況得到如圖1所示的9107綜采工作面頂底板綜合柱狀圖。

圖1 9107綜采工作面頂底板綜合柱狀圖Fig.1 Comprehensive histogram of roof and floor in 9107 fully-mechanized working face

在開掘9107工作面回風巷時沿著9106工作面采空區留設窄煤柱,具體留設的窄煤柱位置關系如圖2所示。

圖2 窄煤柱位置關系圖Fig.2 Location diagram of narrow coal pillars

9107綜采工作面回采過程中,在距離保護煤柱比較近的一側的巷道頂部巖層及巷道兩幫周圍巖層破碎嚴重[1-3]。9106綜采工作面在回采期間,留設的是寬度30 m的保護煤柱,效果很差,并且煤炭資源浪費嚴重,因此,9107綜采工作面煤柱留設的尺寸有待研究[4-5]。

2 理論計算

煤柱寬度的留設應該保證煤柱對頂部巖層的支撐能力,煤柱寬度不宜太小,太小會致使巷道周圍巖層受動壓影響破壞嚴重,錨桿失效。圖3為極限平衡理論窄煤柱理論計算示意圖[6]。

圖3 煤柱寬度計算模型Fig.3 Calculation model for coal pillar width

由煤(巖)體的極限平衡理論[7]可得到沿空掘巷留設窄煤柱的合理理論計算寬度,沿空巷道窄煤柱計算公式為:

b=x1+x2+x0.

(1)

式中:b為護巷煤柱的寬度,m;x0為工作面采空區應力作用下形成的塑性區寬度,m;x1為煤柱穩定性系數,按(30%～50%)(x0+x2)取值;x2為巷道靠近護巷煤柱這一側所布設的錨桿的有效長度,取2.4 m。

運用煤(巖)體的極限平衡理論得到采空區側區段煤柱塑性區寬度x0為:

(2)

式中:h為9107工作面設計采高,取3.72 m;λ為9107工作面巷道的側壓系數,取0.32;φ0為煤層內摩擦角,取35°;C0為9107工作面所采3#煤的黏聚力,取0.8 MPa;K為9107工作面所受應力集中系數,取1.8;γ1為所采3#煤層的覆巖平均容重,取25 kN/m3;h為巷道埋藏深度,取240 m;px為設計支護參數下9107工作面護巷煤柱所受到的支護阻力,取0.2 MPa。

將以上相關參數代到式(2)中，可得x0=1.12 m。

經過理論計算,可求得王莊煤礦煤柱的寬度b為4.576～5.280 m,因此王莊煤礦的小煤柱寬度取5 m。

3 數值模擬計算

3.1 建立模型

以王莊煤礦9107綜采工作面為工程背景,建立長×寬×高=200 m×80 m×50 m的數值模型,為了提高數值模擬的準確度,根據實際地質情況加密建立模型的巷道和煤柱四周的網格。模擬所需的頂底板巖層物理力學參數如表1所示。根據實際物理力學參數，計算得出上覆巖層施加的應力。巷道左側為實體煤,右側為9107工作面,整個模型在前、后、左、右及下部均為固定邊界,沒有水平位移,限制垂直位移。模型最上層垂直方向的應力按照埋藏深度240 m、上覆巖層容重25 kN/m3計算,計算中模型上邊界施加5.0 MPa載荷,在數值模擬的實驗過程中,建立3.0,5.0,10.0,15.0 m四種不同的煤柱寬度的模型[8]。

表1 9107綜采工作面頂底板巖層物理力學參數Table 1 Physical and mechanical parameters of the roof and floor strata of 9107 fully mechanized mining face

續表1

3.2 垂直應力云圖分布分析

圖4為煤柱寬度為3,5,10,15 m時煤柱所受的垂直方向的應力云圖。

(b)煤柱寬度5 m

(c)煤柱寬度10 m

(d)煤柱寬度15m

1)回采的過程中,隨著煤柱寬度的增大,煤柱受到垂直方向的應力的最高峰值及應力比較大的區域也隨著留設煤柱寬度的增大而慢慢增大。當尺寸較小時,其相應的垂直方向的應力也比較小。當留設的煤柱寬度為3 m時,其所受應力的最大值為8.5 MPa,相應地對上部巖層的壓力承載力也會比較小,容易受到回采動壓的影響而產生裂隙致使漏風,同時,巷道圍巖也會發生位移變化;當留設的煤柱寬度為5 m時,其所受應力的最大值為12.5 MPa,其承受頂部巖層壓力的能力比較好,煤柱沒有產生明顯的裂隙,巷道和煤柱比較穩定。當煤柱寬度逐漸增大時,9107工作面所留設的煤柱應力集中現象更加明顯。

2)根據9107綜采工作面煤柱所受的垂直方向的應力云圖可以得出,留設5 m寬的煤柱時,煤柱的穩定性較好,除此之外,煤柱處于應力逐漸降低的區域內;留設10～15 m寬的煤柱時,煤柱所受的應力較高的區域逐漸變大,9107工作面巷道的維護比較困難;煤柱寬度為15 m時,巷道整體不穩定,同時煤炭資源的浪費比較嚴重。

3.3 不同寬度煤柱巷道表面位移量分析

通過模擬分析9107綜采工作面回采期間留設不同寬度煤柱的位移情況,得到回采期間巷道表面位移量,如表2所示。

表2 回采期間巷道表面位移量Table 2 Surface displacement of roadway during mining

由表2可知,當留設的煤柱寬度為3 m時,9107綜采工作面巷道的左幫和右幫的位移總和為658.53 mm;當留設的煤柱寬度為5 m時,9107綜采工作面巷道的左幫和右幫的位移總和為637.99 mm,處于巷道煤柱這一側的位移明顯大于處于實體煤這一側巷幫的位移,巷道頂部巖層和底板之間的相對移近量為278.70 mm;當留設的煤柱寬度為10 m時,9107綜采工作面巷道的左幫和右幫的位移總和為988.71 mm,巷道頂部巖層和底板之間的相對移近量為502.00 mm;當留設的煤柱寬度為15 m時，巷道的變形量開始顯著增大,巷道的左幫和右幫的位移總和為1 240.00 mm,巷道頂部巖層和底板之間的相對移近量為362.81 mm,這種情況表明此時巷道受到的應力比較高,巷道不穩定。

3.4 結果分析

根據以上模擬結果分析,當留設的護巷煤柱的寬度為15 m時,巷道不穩定,同時煤炭資源的損失比較大；當留設的護巷煤柱的寬度為10 m時,在回采過程中巷道圍巖所受到的變形程度比較大；當留設的護巷煤柱的寬度為3～5 m時,巷道圍巖的整體情況比較穩定,巷道整體處在低應力的范圍內,護巷煤柱所受到的應力比較小。但是,留設的煤柱尺寸不宜太小,例如,當留設的護巷煤柱的寬度為3 m時,回采巷道容易受到巷道頂板來壓得影響,留設的煤柱會產生裂隙,護巷作用降低,致使回采作業不能正常進行。而當留設的護巷煤柱的寬度為5 m時,根據數值模擬結果顯示,巷道圍巖整體變形較小,可以起到正常的護巷作用,根據地質條件選用合理的支護技術就能夠保證巷道的正常回采作業。所以,王莊煤礦選擇留設5 m寬的煤柱。

4 巷道圍巖支護方案現場實測

圖5為巷道支護斷面圖。巷道采用錨桿錨索聯合支護,巷道頂部巖層每排布置的錨桿型號為MSGLW-335,直徑22 mm,長度2 400 mm,所布設的錨桿間距和排距分別為850 mm、900 mm；巷道頂部巖層錨索的布置方式為“3-2-3-2”,錨索的直徑22 mm,長度9 300 mm,頂板錨索的排距為900 mm,間距為1 500 mm、2 000 mm。巷道左側巷幫錨桿間距和排距分別為800 mm、900 mm,左幫位于最頂部錨桿的位置距離巷道頂部巖層200 mm,并且傾斜布置,傾斜角為15°；左幫位于最底部錨桿的位置距離巷道底部巖層200 mm。巷道左側巷幫布設直徑22 mm和長度5 300 mm的錨索,左側巷幫錨索的布置方式為“2-0-2”,其錨索間距為1 200mm,排距為1 800 mm。巷道右側巷幫每排布置的錨桿的型號為MSGLW-335,直徑22 mm,長度2 000 mm,巷道右側巷幫錨桿的間距和排距分別為1 000 mm、900 mm,右幫位于最頂部錨桿的位置距離巷道頂部巖層250 mm,并且傾斜布置,傾斜角為15°；右幫位于最底部錨桿的位置距離巷道底部巖層350 mm。

圖5 巷道支護斷面圖Fig.5 Support Section diagram in roadway

5 9107工作面回風巷圍巖控制效果

根據留設5 m寬的煤柱尺寸和支護方案,在9107回風巷進行了現場工業性應用,并對9107回風巷圍巖的穩定性進行了實時監測。采用十字布點法安設表面位移監測斷面,如圖6所示。選取的第一個測站點A布置在離掘進頭10 m的位置處,第二個測站點B布置在距離第一個測站點30 m的位置處。巷道表面移近變形情況如圖7所示。

圖6 巷道表面位移監測斷面布置Fig.6 Section layout for surface displacement monitoring

(a)A測點

(b)B測點圖7 巷道表面位移監測Fig.7 Surface displacement monitoring of roadway

根據巷道表面位移監測結果得出如下結論。

1)巷道頂底板及兩幫在0～10 d期間位移比較明顯,在10～21 d期間巷道周圍巖層變形速度慢慢變小,在21 d的時候已經趨于穩定。

2)穩定之后,A測站點頂部巖層下沉了127 mm,B測站點頂部巖層下沉了133 mm。其中,巷道靠近煤柱一側移進了122 mm,巷道距離實體煤比較近的這一側移進了105 mm,頂板下沉量和兩幫移近量均得到有效控制。

實測表明,巷道在掘進過程中的變形較小,所選用的支護方式及參數對巷道有較好的支護作用,圍巖控制情況較為理想。

6 結論

本文以王莊煤礦9107綜采工作面留設區段煤柱的寬度及巷道支護方案為背景,根據本礦的地質條件,通過理論計算并輔以數值模擬驗證等手段確定了5 m寬的區段煤柱比較合理。9107綜采工作面回采過程中,采用十字布點法對巷道圍巖進行表面位移監測,通過對現場監測數據分析研究,可知9107綜采工作面留設寬度5 m的區段煤柱可以維持巷道穩定,煤柱寬度合理,滿足工程需求。