厚煤層超長綜放工作面超前支護距離及參數確定

田兆川

(山西高河能源有限公司,山西 長治 046000)

隨著煤炭科技的發展,具有產量高、效率高、回采率高的超長工作面(>300 m)開采技術逐漸被廣泛應用。厚煤層超長工作面存在巷道支護困難以及回采過程中受回采動壓影響劇烈等問題,造成超前支承壓力影響范圍更大、影響強度更強,容易使巷道發生嚴重的災害事故。在工作面超前支承壓力影響范圍內,需采取超前支護措施確保回采巷道圍巖穩定,保證巷道安全使用,為通風、行人及運輸等創造良好條件。

對于超前支承壓力影響范圍,許濤[1]基于鉆孔應力數據,分析其隨推采進度的變化特征,得到了超前支承壓力變化規律,確定了準確的超前支護距離。樊衛閣等[2]采用理論力學計算和巷道圍巖收斂觀測的方法,對工作面超前支承壓力進行了研究,得出支承壓力的影響范圍。曹仁舉[3]應用側向支承壓力影響范圍的計算方式,深入分析了回采巷道的超前支護關鍵參數大小及需要加強的支護范圍。劉晉升[4]通過監測巷道圍巖變形量與數值模擬,對超前支護效果進行了效果檢驗,提高了巷道穩定性。

本文以山西高河煤礦W4307厚煤層超長工作面回采巷道超前支護為研究背景,選擇膠帶巷為例,采用現場工程地質調查、數值模擬、理論分析等方法,確定超前支承壓力影響范圍,計算超前支護強度,選擇合理超前支護設備,為厚煤層超長工作面回采巷道的超前支護提供參考依據。

1 工程地質概況

山西高河煤礦W4307厚煤層超長工作面為西四盤區工作面,北面為未采區,東面接+450 m水平南翼大巷,西面為礦界,南面為W4308準備工作面。工作面埋藏深度439.6～454.1 m,平均埋深447 m.切眼長度320 m,可采長度1 316 m,主采3煤層,平均采高6.2 m,煤層傾角平均5°,全煤間夾有一層炭質泥巖夾矸,平均0.20 m.直接頂為砂質泥巖,平均厚度為3.5 m,老頂為粉砂巖-泥巖,平均厚度為22.5 m.底板為泥巖。膠帶巷荒寬5.3 m,荒高3.65 m,凈斷面18.72 m2.

2 工作面超前支承壓力影響范圍研究

為研究工作面超前支承壓力影響范圍,以W4307厚煤層超長工作面為對象,采用有限差分軟件FLAC3D建立數值模擬計算模型進行模擬分析。

2.1 數值模擬模型建立

運用有限差分軟件FLAC3D建立數值模擬模型,其中工作面長度方向為X方向,推進方向為Y方向,埋深為Z方向,建模過程中,煤層賦存情況與巖層結構均按實際地質條件建立。建立的數值模型尺寸為長×寬×高=100 m×100 m×35 m,模型共包括219 000個單元,含有231 000個網絡節點。煤層上方(z方向)共建立巖層厚度22 m,其余巖層(425 m)以垂向載荷的形式施加在模型上邊界,施加載荷為γh=2.4 t/m3×425 m=10.2 MPa.模型的X方向、Y方向邊界限制水平方向的位移與速度,模型底邊界限制水平與垂直方向的位移與速度。模型破壞準則選擇Mohr-Coulomb準則,模型選取的巖石力學參數見表1,建立的數值模擬計算模型如圖1所示。

圖1 數值模擬模型

具體模擬步驟為:①模型建立后,對模型進行賦值,并計算初始化平衡;②掘進工作面巷道并進行支護,計算平衡;③進行工作面回采,每回采1 m就進行計算平衡,直到工作面超過巷道監測斷面,計算停止。計算停止后,分析工作面回采不同距離時,工作面前方支承應力分布情況。

2.2 數值模擬結果分析

圖2為工作面回采不同距離時,工作面前方支承應力分布情況。

圖2 工作面前方支承應力分布情況(單位:m)

由圖2可以看出:隨著工作面的推進,工作面前方發生了應力集中顯現,應力最大處距離煤壁6～7 m,最大應力為6.28×107MPa,最大集中系數為5.62.隨著工作面的推進,工作面前方的支承應力影響范圍也在逐漸增加,當工作面回采50 m時,超前支承壓力影響范圍為26.5 m,隨著工作面的繼續推進,超前支承應力影響范圍不再增加,說明工作面回采產生的支承應力影響范圍為26.5 m,因此工作面兩巷道超前支護距離應大于26.5 m.

3 巷道超前支護參數確定

3.1 巷道頂板載荷計算

假設巷道頂板所受載荷來自直接頂和基本頂的自重[5],可得:

(1)

式中:q為巷道所受均布載荷,MPa;k為采動影響系數,取5.62;H為巷道高度,取3.65 m;ρ1為直接頂容重,取2 700 kg/m3;H1為直接頂砂質泥巖厚度,取3.5 m;ρ2為基本頂容重,取2 700 kg/m3;H2為基本頂厚度,取22.5 m;g為重力加速度,取9.8 N/kg;w為巷道寬度,取5.3 m.計算得:

Qz=2 880 kN/m.

3.2 掘進期間錨桿(索)支護強度計算

膠帶巷頂板每排布置7根D22 mm×2 400 mm螺紋錨桿,錨桿排距1 000 mm,錨桿拉拔載荷為190 kN.每排布置2根D22 mm×8 300 mm高強度錨索,錨索排距1 000 mm,頂板錨索拉斷載荷為560 kN.

則,頂板錨桿(索)支護阻力為:

(2)

式中:n為每排錨桿(索)數目,分別取7和2;a為頂板錨桿(索)排距,取1 000 mm;F為頂板錨桿拉拔載或錨索拉斷載荷,分別取190 kN和560 kN.

計算得錨桿提供的支護阻力為Qg=1 330 kN/m,錨索提供的支護阻力為Qs=1 120 kN/m.

3.3 巷道超前支護參數確定

頂板所受載荷,需要頂板錨桿(索)以及被動支護的聯合支撐作用共同承載,因此,被動支護所提供的支護阻力Qb>Qz-Qg-Qs=430 kN/m.

高河煤礦井下主要采用DW-4.5-250/110LX型恒阻單體液壓支柱進行超前支護,該型號單體柱額定工作阻力為250 kN.

單體液壓支柱提供的支護阻力:

(3)

安全系數:

(4)

式中:T為單體液壓支柱額定工作阻力,取250 kN;m為每排單體液壓支柱數目,分別取1、2、3;a2為單體液壓支柱排距,分別取800 mm、900 mm、1 000 mm、1 100 mm、1 200 mm.

帶入數值,經計算得出的結果如表2所示。

表2 單體液壓支護不同排距下安全系數

對于超前支護,安全系數應大于1.5,因此每排須布置3棵單體液壓支柱,排距不大于1 100 mm.

4 結 語

1) 高河煤礦W4307厚煤層超長工作面回采后煤壁前方最大支承應力為6.28×107MPa,最大集中系數為5.62;超前支承壓力影響范圍為26.5 m,因此工作面兩巷道超前支護距離應大于26.5 m.

2) 選用DW-4.5-250/110LX型恒阻單體液壓支柱進行超前支護,額定工作阻力為250 kN,每排布置3棵,排距不大于1 100 mm.