禾草溝煤礦回采巷道支護效果評價及區段煤柱優化設計

王慧林,王文彬,王金國,趙建兵,郭 慶,郝凱凱

(延安市禾草溝煤業有限公司,陜西 延安 717300)

巷道的穩定性是保證礦井安全生產的關鍵因素,其中,回采巷道受到工作面采動影響時,如果支護強度過低,回采巷道將難以維護,如果支護強度過高,將會造成支護成本提高[1]。另外,維護回采巷道的區段煤柱尺寸也是保證回采巷道穩定的一個重要因素,當區段煤柱尺寸過小時,煤柱容易產生裂隙,回采巷道和采空區之間貫通,容易造成自然發火危險,回采巷道圍巖穩定性受到影響[2];而區段煤柱尺寸過大時,煤炭回采率降低,造成煤炭資源的浪費。因此,本文以禾草溝煤礦50205工作面為研究對象,在確保巷道圍巖穩定的條件下,確定一個合理的煤柱尺寸具有實際應用價值。

1 礦井地質條件概況

禾草溝煤礦年產500萬t,主采5#煤和3-2#煤。5#煤層為一結構簡單的穩定型中厚煤層,煤層厚度穩定,平均厚度2.28 m,結構簡單,傾角0～3°。地面標高1 249.0～1 407.0 m,煤層底板標高在1 005～1 025 m之間。煤層直接頂為泥質粉砂巖,厚0.98 m,發育水平層理,泥質膠結,質密,易風化破碎；基本頂為油頁巖,厚11.17 m,灰黑色,薄層狀,水平層理,泥質膠結;煤層直接底為泥質粉砂巖,厚9.41 m,深灰黑色,薄層狀,水平層理,易風化破碎。5#煤50205工作面長300.8 m,區段間煤柱留設20 m煤柱。

2 50205工作面回風巷道支護方案評價

2.1 50205工作面回風巷道支護參數

50205工作面回風巷掘進斷面為圓弧斷面,寬×高=5 000 mm×3 200 mm,巷道形狀和支護方式如圖1所示。

圖1 50205工作面回風巷平、剖面圖

巷道采用錨(索)網配合鋼帶聯合支護,頂部錨桿采用Φ20 mm×2 400 mm左旋無縱筋Ⅱ級螺紋鋼錨桿。錨桿使用一卷半MSCK2850樹脂藥卷,錨固力不低于105 kN,擰緊力矩不小于100 N·m；錨桿托板采用Q235鋼板,規格為長×寬×厚=150 mm×150 mm×12 mm。副幫錨桿采用Φ20 mm×2 400 mm左旋無縱筋螺紋鋼錨桿,正幫采用全螺紋玻璃鋼錨桿。正幫網片采用抗拉強度不小于30 MPa的礦用雙抗塑料網,搭接長度不小于100 mm;頂板、副幫網片采用Φ6.5 mm鋼筋焊制,規格為長×寬=1 800 mm×1 000 mm,網孔規格為100 mm×100 mm,搭接長度不小于100 mm;錨索采用Φ21.6 mm×7 900 mm鋼絞線,錨索預應力不小于280 kN,圓弧斷面兩邊錨索與頂板成75°夾角,矩形斷面錨索垂直頂板布置,巷中單根錨索與頂板垂直;錨索托板采用Q235鋼板,規格為長×寬×厚=300 mm×300 mm×16 mm;W鋼帶采用兩種規格,分別為長×寬×厚=2 400 mm×230 mm×5 mm和3 400 mm×230 mm×5 mm;錨固劑采用MSCK2850型。50205回風巷支護參數如表1所示。

表1 50205回風巷支護參數表

2.2 50205工作面回風巷道支護方案評價

為了對50205工作面回風巷道的支護方案進行效果評價,對50205工作面回風巷道進行了礦壓監測。

2.2.1監測方案

1)頂板和巷道副幫錨桿工作狀態監測。分別在距工作面120 m、140 m和160 m處設置3個監測斷面,每個監測斷面安裝2個頂板錨桿測力計和1個副幫錨桿測力計。

2)頂板錨索工作狀態監測。在距工作面100 m處設1個觀測斷面,頂板錨索安裝錨桿(索)測力計,監測錨索工作狀態。

3)頂板和巷幫深部位移監測。在距工作面120 m、140 m和160 m處設置3個監測斷面,頂板中部安裝1個DW-4型多點位移計,分別監測2 m、4 m、6 m和8 m的位移量。另，在距工作面120 m、140 m和160 m處設置3個監測斷面,分別在巷道正幫和副幫中部各安裝1個DW-4型多點位移計,分別監測1.0 m、1.5 m、2.0 m和2.4 m的位移量。

2.2.2監測結果

1)頂板和巷道副幫錨桿工作狀態監測結果。圖2為距工作面120 m監測斷面錨桿受力曲線圖,由圖2可知,1號錨桿最大受力30.0 kN,2號錨桿最大受力29.0 kN,3號錨桿最大受力32.0 kN。圖3為距工作面140 m監測斷面錨桿受力曲線圖,由圖3可知,1號錨桿最大受力37.5 kN,2號錨桿最大受力35.6 kN,3號錨桿最大受力51.2 kN。圖4為距工作面160 m監測斷面錨桿受力曲線圖,由圖4可知,1號錨桿最大受力36.5 kN,2號錨桿最大受力37.1 kN,3號錨桿最大受力35.4 kN。

圖2 距工作面120 m監測斷面錨桿受力曲線圖

圖3 距工作面140 m監測斷面錨桿受力曲線圖

圖4 距工作面160 m監測斷面錨桿受力曲線圖

從以上監測結果可以得出,在50205工作面采動影響下,3個監測斷面的錨桿受力均小于設計錨固力105 kN,且監測錨桿最大受力為51.2 kN,約為設計錨固力的50%。

2)頂板錨索工作狀態監測結果。在距工作面100 m處安裝了頂板錨索測力計,測試結果如圖5所示。從監測結果可以得出,在50205工作面采動影響下,監測斷面的2個錨索受力均小于設計錨固力250 kN,且監測錨索最大受力為185 kN,為設計錨固力的74%。

圖5 距工作面100 m監測斷面頂板錨索受力

3)頂板和巷幫深部位移監測結果。通過對120 m、140 m和160 m監測斷面進行數據統計得出,頂板0～2 m內發生最大位移6 mm,頂板2～4 m內發生最大位移4 mm,頂板4～6 m和6～8 m內均未發生位移,頂板最大下沉9 mm;正幫0～1.0 m發生最大位移4 mm,正幫1.0～1.5 m發生位移5 mm,正幫1.5～2.0 m和正幫2.0～2.4 m均未發生位移,正幫最大位移7 mm；副幫0～1.0 m發生最大位移3 mm,副幫1.0～1.5 m發生最大位移3 mm,副幫1.5～2.0 m和副幫2.0～2.4 m均未發生位移,副幫最大位移5 mm。

綜合以上監測結果,頂板錨桿(索)和巷道副幫錨桿的錨固力均有較大富余量,且頂板最大位移量為9 mm,正幫最大位移量為7 mm,副幫最大位移量5 mm,圍巖移近量非常小,錨索受力為設計錨固力的74%?？傮w評價現支護設計強度過大,支護成本偏高,綜合考慮支護成本和支護效果,有進一步縮小區段煤柱尺寸或調整支護強度的空間,達到優化煤柱尺寸或優化支護設計的目的。本著提高回采率的原則,決定采用縮小煤柱尺寸的方案。

3 區段煤柱合理尺寸的確定

3.1 護巷煤柱變形理論分析

對護巷煤柱穩定性的研究考慮在一側巷道一側采面的前提下,如煤柱尺寸較大,則在煤柱中央的載荷為原巖應力,且分布均勻[3]。而煤柱兩側從邊緣區向內部依然分別為破裂區、塑性區、彈性區應力升高部分和原巖應力區[4]。煤柱內的支承應力分布與分區情況如圖6所示。

k1,k2—應力集中系數;γ—覆巖容重;H—煤層埋深

3.2 護巷煤柱合理尺寸數值模擬研究

3.2.1數值模型建立

本次模擬主要研究50205回采工作面回采巷道區段煤柱合理尺寸。建立三維模型的尺寸長×寬×高=200.0 m×20.0 m×86.8 m。回采巷道煤巖層物理力學參數均按實驗室煤巖樣測試結果和工程類比對模型進行賦值。計算模型邊界載荷條件:考慮工作面在地層中所處最深處約400 m,地應力邊界條件根據實際測量結果進行施加,垂直應力10.0 MPa,選用Mohr-Coulomb本構模型。

數值模型建立后,對煤層和巷道進行開挖,開挖高度2.28 m,并對巷道進行支護,區段煤柱寬度分別留設5 m、6 m、8 m、10 m、12 m、14 m、16 m、18 m和20 m,開挖模型如圖7所示。

圖7 開挖模型

3.2.2數值計算結果分析

1)不同尺寸煤柱條件下垂直應力計算結果。圖8為不同煤柱尺寸下垂直應力分布云圖。

(a)20 m煤柱垂直應力

如圖8所示,留設16～20 m煤柱時,側向支承壓力為15 MPa,壓力峰值位于煤柱上方,并偏向采空區一側,側向支承壓力對巷道圍巖穩定性無影響；當留設10～14 m煤柱時,側向支承壓力值不變,壓力峰值仍位于煤柱上方,但偏向巷道一側,巷道右側(正幫)水平應力升高,巷道圍巖穩定性受到一定影響；當留設8 m煤柱時,側向支承壓力值不變,壓力峰值處于巷道正上方,此時側向支承壓力對巷道影響最大,不建議留設8 m煤柱；當留設5～6 m煤柱時,側向支承壓力值不變,壓力峰值偏向巷道左側(副幫),對巷道左側(副幫)穩定性有一定影響,如果留設5～6 m煤柱,需要對采空區側煤層頂板進行切頂卸壓。

2)不同尺寸煤柱條件下最大主應力計算結果。圖9為不同煤柱尺寸下最大主應力分布云圖。

(a)20 m煤柱最大主應力

如圖9所示,當留設16～20 m煤柱時,最大主應力為5.3 MPa,并位于采空區側煤柱內,表明最大主應力對巷道無影響；當留設10～14 m煤柱時,最大主應力為6.6～6.8 MPa,雖位于采空區側煤柱內,但巷道右側的最大主應力值出現明顯的升高,此時巷道圍巖穩定性受到一定的影響；當留設5～8 m煤柱時,此時煤柱所受最大主應力為6.9～7.4 MPa,巷道圍巖受到嚴重的破壞。由最大主應力分析結果得知:當煤柱小于12 m以下時,煤柱開始出現明顯的破壞。

3)不同尺寸煤柱條件下巷道圍巖變形量計算結果。不同煤柱尺寸巷道頂板下沉量如圖10所示。不同煤柱尺寸巷道底板位移量如圖11所示。不同煤柱尺寸巷道左幫位移量如圖12所示。不同煤柱尺寸巷道右幫位移量如圖13所示。得出的模擬結果如表2所示。

圖10 不同煤柱尺寸巷道頂板下沉量

圖11 不同煤柱尺寸巷道底板位移量

圖12 不同煤柱尺寸巷道左幫位移量

圖13 不同煤柱尺寸巷道右幫位移量

表2 不同煤柱尺寸對應的巷道圍巖移近量

由表2分析得知,考慮到小煤柱容易被壓裂,導致采空區漏風引起采空區自燃發火,不建議留設寬度小于6 m的煤柱;如果留設6～8 m尺寸的煤柱,必須對巷道進行補強支護,并采取切頂卸壓措施[5],這樣會影響采掘的速度;從圖10-圖13可知,留設小于14 m煤柱時,巷道圍巖變形量開始急劇增大,因此,留設寬度14 m煤柱時巷道圍巖變形量相對較小,從經濟上和技術上都是比較合理的煤柱尺寸。

4 結論

1)采用監測法對禾草溝煤礦50205回風巷進行了礦壓監測,測得在50205工作面采動影響下,頂板錨桿(索)和巷道副幫錨桿的錨固力均有較大富余量,且巷道頂板和兩幫圍巖移近量非常小?？傮w評價現支護設計強度過大,支護成本偏高,綜合考慮支護成本和支護效果,有進一步縮小區段煤柱尺寸或調整支護強度的空間。

2)通過理論分析和采用數值模擬方法,得出留設大于寬度14 m煤柱時巷道圍巖變形量相對較小,從經濟上和技術上都是比較合理尺寸。