龐龐塔礦特厚煤層沿空掘巷技術(shù)研究與應(yīng)用

楊云剛，靳曉偉，閔偉森

（霍州煤電集團(tuán)呂臨能化有限公司龐龐塔煤礦，山西 臨縣 033200）

0 引 言

隨著開采時(shí)間的延長(zhǎng)和開采強(qiáng)度的增大，煤礦的開采深度加大，原巖應(yīng)力變大，工作面之間的區(qū)段保護(hù)煤柱的寬度也越來(lái)越大。過(guò)寬的煤柱尺寸不僅造成了資源的浪費(fèi)而且形成了應(yīng)力集中，對(duì)下組煤的回采造成了困難。為此，沿空掘巷、沿空留巷等窄煤柱甚至無(wú)煤柱護(hù)巷技術(shù)得到了廣泛的應(yīng)用[1-4]。霍州煤電龐龐塔礦10 號(hào)煤為特厚煤層，在一采區(qū)、七采區(qū)回采時(shí)煤柱寬度為20 m。為提高資源的回收率，決定在10 采區(qū)進(jìn)行沿空掘巷的實(shí)驗(yàn)。

1 工程概況

霍州煤電龐龐塔礦的可采煤層有5上、5、10 號(hào)煤層，其中10 號(hào)煤的見煤點(diǎn)厚度為3.6～13.3 m，平均11.8 m，屬特厚煤層。煤層平均傾角15°，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，一般含1～4 層0.2 m 左右的炭質(zhì)泥巖夾矸。煤層蓋山厚度322～409 m，頂?shù)装迩闆r如圖1 所示。

圖1 10 號(hào)煤頂?shù)装鍘r性

10 號(hào)煤瓦斯含量較小，無(wú)自燃現(xiàn)象，但煤塵具有爆炸性。10-101 工作面采用綜合機(jī)械化走向長(zhǎng)壁放頂煤開采，割煤高度3.0 m，放煤高度8.8 m，工作面長(zhǎng)度200 m。10-101 工作面位于10 采區(qū)，其中1012 巷為工作面運(yùn)輸巷，巷道斷面為矩形，規(guī)格為4 700 mm×3 500 mm，擬進(jìn)行沿空掘巷的實(shí)驗(yàn)。

2 煤柱寬度的理論計(jì)算

沿空掘巷的關(guān)鍵在于合理確定區(qū)段保護(hù)煤柱的寬度，寬度大，不僅造成煤炭資源的浪費(fèi)，而且煤柱長(zhǎng)期出于側(cè)向支承壓力影響范圍內(nèi)，不利于巷道的穩(wěn)定，寬度小則自身穩(wěn)定性差，鼓幫嚴(yán)重，影響巷道的正常使用。

2.1 塑性區(qū)寬度的計(jì)算

工作面推進(jìn)一定距離之后，工作面開切眼及支架后方的頂板首先出現(xiàn)斷裂線，隨著繼續(xù)推進(jìn)，兩巷處的頂板斷裂，并最終與長(zhǎng)邊的斷裂線貫通，由此工作面初次來(lái)壓。之后隨著繼續(xù)推進(jìn)，頂板周期性垮落，不斷形成新的結(jié)構(gòu)塊。巷道直接頂、基本頂及上覆巖層形成大結(jié)構(gòu)，而巷道的錨桿索支護(hù)體等形成小結(jié)構(gòu)，大小結(jié)構(gòu)共同維持巷道的穩(wěn)定[5-6]。

沿空掘巷時(shí)，工作面頂板垮落后，在實(shí)體煤側(cè)形成固支，破斷線呈弧形，形成弧形三角塊B，該巖塊對(duì)留巷的穩(wěn)定性影響最大，為關(guān)鍵塊。研究該關(guān)鍵塊的參數(shù)，是合理確定煤柱合理寬度的前提。

關(guān)鍵塊B 的參數(shù)主要包括走向和傾向的長(zhǎng)度以及破斷位置等，如圖2 所示。

圖2 關(guān)鍵塊B 的主要參數(shù)示意圖

式中，m為工作面采高；A為側(cè)壓系數(shù)；φ0為煤體內(nèi)摩擦角；C0為煤體內(nèi)聚力；K為應(yīng)力集中系數(shù)；γ為上覆巖層容重；H為巷道埋深；Pz為上區(qū)段煤幫支護(hù)阻力。

代入以上數(shù)據(jù)，計(jì)算得X0=4.7 m。

2.2 區(qū)段煤柱寬度計(jì)算

采用極限平衡理論計(jì)算區(qū)段保護(hù)煤柱的寬度B，如式（2）所示。

式中：X1為巷道掘進(jìn)產(chǎn)生的塑性區(qū)半徑；k為富余系數(shù)，一般取1.15～1.35。

根據(jù)龐龐塔礦10 號(hào)煤的具體條件，代入計(jì)算可得，區(qū)段保護(hù)煤柱的寬度為6.5～9.5 m。

3 數(shù)值模擬分析

3.1 巖石力學(xué)參數(shù)的確定

為確定10 號(hào)煤層頂?shù)装宓膸r石力學(xué)參數(shù)，為數(shù)值模擬提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，在井下打鉆取芯，實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行了力學(xué)參數(shù)的測(cè)試，結(jié)果如表所示。

表1 10 號(hào)煤頂?shù)装鍘r石力學(xué)參數(shù)

3.2 上工作面回采的影響

采用FLAC3D軟件對(duì)不同煤柱寬度、不同巷道狀態(tài)下的應(yīng)力情況進(jìn)行數(shù)值模擬分析。模型尺寸為500 mm×300 m，未模擬巖層按等效載荷代替。模型中層理弱面用INTERFACE 模擬。

工作面回采過(guò)后，周邊的圍巖應(yīng)力重新分布，出現(xiàn)卸壓和應(yīng)力集中的區(qū)域，工作面上端頭側(cè)的應(yīng)力分布如圖3 所示。

圖3 端頭應(yīng)力分布云圖

由圖可以看出，卸壓區(qū)域主要集中在工作面頂板，而工作面端頭則出現(xiàn)了應(yīng)力集中，且9 m 范圍之內(nèi)為卸壓區(qū)，9～16 m 為應(yīng)力集中區(qū)，即圖中的藍(lán)色區(qū)域，最高垂直應(yīng)力達(dá)到31 MPa。

根據(jù)上工作面回采后的應(yīng)力分布特征，并結(jié)合理論計(jì)算的結(jié)果，煤柱寬度應(yīng)在6.5～9.0 m 范圍之內(nèi)。為此，在原模型的基礎(chǔ)上對(duì) 6、7、8、9 m 不同煤柱寬度下的二次回采影響下應(yīng)力分布特征進(jìn)行分析。

3.3 本工作面回采影響

數(shù)值模擬結(jié)果表明，受本工作面回采影響，不同尺寸的區(qū)段保護(hù)煤柱均有較大變形，取煤層底板以下3 m 沿傾向作1 條觀測(cè)線，繪制垂直應(yīng)力分布曲線，各方案的應(yīng)力分布曲線見圖4。

圖4 不同煤柱寬度下垂直應(yīng)力分布

對(duì)比發(fā)現(xiàn)，不同煤柱寬度下的底板圍巖應(yīng)力均低于原巖應(yīng)力，處于應(yīng)力降低區(qū)。隨著寬度的增大，區(qū)段保護(hù)煤柱中部逐漸出現(xiàn)了有利于煤柱穩(wěn)定的彈性核區(qū)，其中9 m 煤柱時(shí)彈性核區(qū)的寬度最大，為2.0 m，并且彈性和區(qū)的能量由6 m 煤柱時(shí)的5 500 J 增長(zhǎng)至15 000 J，煤柱的承載能力明顯提高。并且隨著寬度在增大，應(yīng)力傳播曲線發(fā)生較大變化，煤柱寬度9 m 時(shí)，應(yīng)力傳播曲線呈平底狀，可以承受較高的應(yīng)力。

綜合理論計(jì)算和數(shù)值模擬分析的結(jié)果，確定龐龐塔礦10 號(hào)煤特厚煤層綜放工作面沿空掘巷的區(qū)段保護(hù)煤柱為9.0 m。

4 沿空掘巷支護(hù)方案及應(yīng)用效果

4.1 支護(hù)方案

結(jié)合理論計(jì)算和工程類比，并利用FLAC3D進(jìn)行模擬分析對(duì)比，最終確定10-1012 巷的支護(hù)方案如圖5 所示。

圖5 2-105 運(yùn)輸巷巷支護(hù)方案

4.1.1 頂板支護(hù)

1）錨桿支護(hù)。頂錨桿為φ20 mm×2 400 mm 的左旋無(wú)縱筋高強(qiáng)螺紋鋼錨桿，配CK2335 和CK2360樹脂藥卷各1 卷錨固，每排布置6 根，間排距為800 mm×900 mm。每排錨桿用厚度5 mm 的W 鋼帶連接。

（2）錨索支護(hù)。頂錨索規(guī)格為φ21.6 mm×9 400 mm，采用1×19 絲鋼絞線制成。鉆孔深度為9 m，配3 卷CK2360 樹脂藥卷錨固。錨索呈“五花”布置，排距為0.9 m。

4.1.2 巷幫支護(hù)

實(shí)體煤幫采用φ20 mm×2 000 mm 左旋無(wú)縱筋螺紋鋼錨桿，配1 卷CK2360 樹脂錨固劑，間排距為900 mm×900 mm，最上位錨桿距頂300 mm，每排4根，兩端的錨桿分別向上和向下傾斜15°，其余垂直巷幫布置。

回采煤幫采用玻璃鋼錨桿，錨桿布置和錨固劑用量等參數(shù)與實(shí)體煤幫相同。

4.2 應(yīng)用效果

10-1012 巷掘進(jìn)過(guò)程中設(shè)置測(cè)站，采用十字布點(diǎn)法對(duì)巷道表面位移進(jìn)行觀測(cè)。其中3 號(hào)測(cè)站位于開后以里100 m 處，其觀測(cè)結(jié)果如圖8 所示。

圖8 3 號(hào)測(cè)站礦壓觀測(cè)結(jié)果

由于可以看出，成巷后巷道變形平緩，變形的階段性特征不明顯，兩幫收斂的最大速度約為6 mm/d，頂板下沉的最大速度約為4 mm/d。掘進(jìn)32d后巷道變形基本穩(wěn)定，頂板最大下沉約為22 mm，兩幫收斂約為42 mm。

安裝的頂板離層指示儀顯示，頂板淺部出現(xiàn)離層，離層值約為11 mm，深度基點(diǎn)穩(wěn)定，為巷道上方頂煤出現(xiàn)整體下沉。

5 結(jié) 論

（1）工作面頂板垮落后，破斷線為弧形，在巷道邊緣形成弧形三角塊B，該巖塊對(duì)留巷的穩(wěn)定性影響最大，為關(guān)鍵塊。

（2）區(qū)段保護(hù)煤柱中部彈性核區(qū)的寬度與煤柱寬度近似呈正比，結(jié)合理論計(jì)算，確定10-1012 巷的區(qū)段保護(hù)煤柱寬度為9.0 m。

（3）龐龐塔礦10-1012 巷沿空掘巷的礦壓觀測(cè)表明，巷道表面位移小、深度基點(diǎn)穩(wěn)定，可滿足生產(chǎn)的要求，為特厚煤層沿空掘巷設(shè)計(jì)提供參考。