近距離煤層群采空區下沿空留巷支護技術研究

閆騰騰

(山西焦煤集團有限責任公司, 山西 太原 030024)

井工開采煤礦的回采巷道常采用留設煤柱護巷的方法進行維護,不但降低了煤炭回收率,且留設的煤柱會形成新的應力分布,影響煤柱周圍的巷道[1]. 如何在保證安全的基礎上最大限度地實現資源回采一直是煤炭行業研究的重點。沿空留巷技術是在工作面回采過程中,通過有效的巷內加強支護和巷旁墻體留設等方法將原巷道保留下來的方法[2],不僅提高了煤炭資源回收率,減少了應力集中影響,還可實現工作面Y型通風,降低工作面瓦斯含量。

西曲礦作為已開采多年的老礦井,生產系統和地質情況復雜,傳統的巷道布置方式已不能滿足采掘接替的需要。該礦4#煤層和2#煤層層間距3.5～12 m,根據開采實踐,2#煤工作面區段煤柱形成的應力集中對4#煤的開采影響較大,需要采用沿空留巷技術保證正常生產銜接并提高資源回收率。因此,在該礦14305工作面皮帶巷開展近距離煤層群采空區下高水材料沿空留巷技術研究。

1 工程概況

14305工作面傾斜長200 m,可采走向長480 m,井下位于南三盤區和北一盤區交界處,工作面上覆12316、12303、22108三個2#煤采空區,層間距4.5～10 m. 西部為14301、14302采空區,受各空間采空區及煤柱影響,工作面圍巖應力不穩定,施工范圍內圍巖節理,裂隙發育。工作面蓋山厚度170～248 m,平均厚度約210 m,地表村莊建筑物已拆遷。14305工作面位于12316工作面采空區下方,12315軌道巷與12316皮帶巷之間區段煤柱為20 m,12315工作面暫未開采,待12315工作面回采完畢頂板活動穩定后在12315工作面采空區下方掘進14305皮帶巷(正巷),14305工作面皮帶巷沿空留巷,將來作為14304工作面軌道巷(副巷)使用。工作面示意圖見圖1,工作面綜合柱狀圖見圖2.

圖1 14305工作面示意

圖2 14305工作面地質柱狀圖

2 沿空留巷技術關鍵及圍巖控制難點

2.1 沿空留巷技術關鍵

沿空留巷在服務周期內將經歷實體煤掘巷階段、工作面采動應力擾動階段、工作面后方應力穩定階段、相鄰下區段工作面采動應力擾動階段,工程上將經歷相鄰兩個工作面的采動影響,巷內支護的強度、剛度影響支承應力演化過程中圍巖抵抗變形的能力。因此,合理的巷內支護技術和參數為沿空留巷穩定性提供了技術保障。

錨索支護屬于高強主動支護,具有強化圍巖強度的能力,合理的巷內錨索支護技術方案可使圍巖形成整體承載的錨固體,可將錨固體固結在較深部穩定的巖層當中,提高破碎圍巖錨固體的承載和抗變形能力,顯著提高沿空留巷圍巖的承載能力和抗變形能力。

2.2 近距離煤層群采空區下沿空留巷圍巖控制難點

結合西曲礦14305工作面生產地質條件,沿空留巷方案的主要圍巖控制難點是軟弱破碎頂板控制難度大。近距離煤層群采空區下沿空留巷巷道上方為軟弱破碎砂質泥巖,且受上煤層采動損傷,軟弱破碎頂板控制難度大。需要對近距離煤層群采空區下沿空留巷巷內圍巖控制技術進行分析,提出合理有效的支護參數,才能滿足巷道使用要求。

3 近距離煤層群采空區下沿空留巷巷內支護技術

3.1 14305工作面皮帶巷支護參數的確定思路

1) 結合14305工作面的地質力學特征,采用FLAC3D數值計算軟件建立數值分析模型,根據14305工作面皮帶巷的生產地質條件,綜合考慮各方面的因素,建立平面應變數值計算模型,模型高度確定為69.9 m,模擬14305工作面長度100 m. 模擬計算實體煤掘巷期間、回采留巷期間14305皮帶巷圍巖的支承應力分布規律,確定14305皮帶巷服務期內圍巖的支承應力場。

2) 基于圍壓對煤巖材料彈性抗壓強度和殘余抗壓強度的強化作用規律,提出采用全錨索支護提高14305皮帶巷圍巖圍壓的支護技術,即淺部圍巖采用短錨索替代以往的錨桿,頂板深部圍巖采用長錨索進行加強支護。使錨固區內的圍巖處于三向承載受力狀態,借助于建立的數值分析模型,研究錨索預緊力、錨索長度、錨索間排距等對巷道圍巖錨固區內支護壓應力的作用規律。

3) 依據錨索支護對14305皮帶巷圍巖圍壓的作用規律,結合14305皮帶巷服務期內圍巖的支承應力場分布規律,選擇合適的錨索材質、錨索直徑等參數。采用控制變量的方法,分別模擬計算錨索長度、錨索排距、頂錨索間距、幫錨索間距對巷道圍巖變形的影響規律[3],確定合理的錨索支護參數。

4) 基于合理的14305皮帶巷圍巖錨桿支護參數,結合已有的留巷工程實踐,提出14305皮帶巷留巷階段的巷道加固方案,借助建立的數值分析模型,模擬計算不同的“錨索支護方案+留巷加固方案”下膠運巷的圍巖變形情況[4],對比分析各個方案對該巷道圍巖變形破壞的控制效果,確定較為合理的留巷加固方案。

5) 確定14305皮帶巷掘巷時期的“錨索支護參數”和留巷階段的“留巷加固方案”,從而確定14305皮帶巷沿空留巷的巷內支護技術。

3.2 14305皮帶巷頂板支承應力演化規律

1) 掘巷時期。圍巖支承應力分布見圖3. 支承應力集中區主要分布在14305皮帶巷兩幫,最大可達6.5 MPa. 頂板1 m深處的支承應力近似呈軸對稱分布,對稱軸穿越巷道斷面的中心,正上方為支承應力降低區,兩頂角出現支承應力升高區。

圖3 掘巷時期圍巖支承應力分布

2) 留巷時期。緊隨14305工作面,在其后方14305采空區開展沿空留巷,留巷穩定后的圍巖支承應力分布見圖4. 沿空留巷整體位于弧形三角塊結構的下方,處于較低的應力區域,此類條件下,支承應力主要集中在未采煤側頂板和幫部,與掘巷時期的圍巖支承應力分布區別較大。充填體內核區支承應力穩定在9 MPa,可以實現充填體對頂板的支撐作用。

圖4 留巷穩定期間圍巖支承應力分布

3.3 錨索支護強化14305皮帶巷圍巖強度機理

1) 短錨索預緊力對淺部圍巖壓應力場的作用。

固定短錨桿長度為2.6 m(外露0.2 m),分別取錨索預緊力為50 kN、100 kN、150 kN、200 kN時的圍巖支護壓應力場為分析對象,見圖5. 單根短錨索支護作用下,頂板、幫部淺部圍巖產生了壓應力場,壓應力大小隨短錨索預緊力的增加呈增加趨勢,壓應力區范圍呈增加趨勢,且當短錨索預緊力達到150 kN時,最大壓應力大小持續增加,但壓應力作用范圍增幅明顯減小,小于短錨索預緊力從100 kN增加到150 kN的壓應力區范圍增加值。基于此,短錨索預緊力不應小于150 kN.

圖5 短錨索預緊力對淺部圍巖圍壓的強化作用

2) 短錨索長度對淺部圍巖壓應力場的作用。

固定短錨索預緊力為150 kN,分別取短錨索長度為2.2 m、2.4 m、2.6 m、2.8 m(外露均為0.2 m)時的圍巖支護壓應力場為分析對象,見圖6. 隨著短錨索長度的增加,單根短錨索作用下淺部圍巖支護壓應力峰值緩慢增加到0.42 MPa,壓應力區范圍沿著短錨索軸向逐漸向深部圍巖擴展,沿短錨索橫向的影響范圍基本不變。考慮14305皮帶巷頂板和煤層受上煤層工作面開采損失影響,圍巖較為破碎,確定短錨索支護長度為2.6 m,后續可以用高強長錨索擴展壓應力作用范圍。

圖6 短錨索長度對淺部圍巖圍壓的強化作用

3) 短錨索間排距對淺部圍巖壓應力場的作用。

在頂板和幫部安裝3根短錨索,固定短錨索長度為2.6 m,工作阻力為60 kN,分別取短錨索間排距為800 mm、1 000 mm、1 200 mm和1 400 mm時的圍巖支護應力場為分析對象,見圖7. 隨著短錨索間距的增加,相鄰短錨索的支護壓應力場從高應力疊加狀態向低壓應力疊加狀態轉化,短錨索自由端區域壓應力由貫通向分離轉變,拐點在間排距為1 000 mm,貫通的最大壓應力從0.15 MPa減小到0.08 MPa. 考慮當短錨索間排距超過1 000 mm時,短錨索之間的壓應力較小,因此短錨索間排距應小于1 000 mm;而當短錨索間排距為800～1 000 mm時,短錨索產生的支護壓應力場貫通性較好,短錨索自由段所在區域出現了較為完整的貫通性壓應力場,考慮工人勞動強度和支護成本,此類地質條件下合理的短錨索支護間排距為800～1 000 mm.

圖7 短錨索間排距對淺部圍巖圍壓的強化作用

4) 頂板長錨索對淺部圍巖壓應力場的作用。

依據14305工作面煤層綜合鉆孔柱狀圖,14305皮帶巷存在4.42 m厚的砂質泥巖和4.58 m的細粒砂巖。為了發揮長錨索對淺部圍巖圍壓的強化作用,結合經濟成本,確定采用直徑為21.8 mm、長度為6.2 m的鋼絞線錨索對頂板加強支護。錨索初始工作載荷可達250 kN,具有增阻速度快的特點,該方案固定錨索工作載荷為250 kN,短錨索的間排距為1 000 mm,考慮到巷道寬度4.4 m、錨索托盤尺寸和施工因素,分別取長錨索間排距為1 000 mm(一排2根)、1 500 mm(一排2根)、2 000 mm(一排2根)、2 500 mm(一排2根)時的頂板圍巖支護壓應力場為分析對象,見圖8. 隨著長錨索間排距的增加,頂板圍巖支護壓應力作用范圍呈逐漸增加的變化規律,且長錨索高工作載荷作用下產生的壓應力顯著高于錨索低工作載荷下的壓應力大小,淺部圍巖較高的壓應力區從貫通狀態逐漸向分離狀態演化,高壓應力區范圍(0.2 MPa)逐漸減小,當長錨索間排距超過2 000 mm時,長錨索產生的淺部圍巖壓應力核區逐漸分離,疊加區內的壓應力較小。因此長錨索的間排距應小于2 000 mm,考慮經濟成本和工作效率,長錨索的間排距應大于1 000 mm,可根據后期現場實際的留巷變形情況做適當的調整。基于此,合理的長錨索間排距為1 000～2 000 mm.

圖8 長錨索間排距對淺部圍巖圍壓的強化作用

基于以上分析,保證14305皮帶巷圍巖錨索支護壓應力貫通、具有一定強度的有效短錨索間距為800～1 100 mm,工作阻力應大于150 kN,短錨索長度應大于2.6 m. 采用直徑為21.8 mm、長度為6.2 m的高強錨索,對頂板加強支護的工作載荷為250 kN時,保證頂板高強長錨索支護壓應力貫通、具有一定強度的有效頂板高強長錨索間排距為1 000～2 000 mm.

4 14305工作面皮帶巷沿空留巷巷內支護方案

14305皮帶巷沿空留巷巷內支護技術采用短錨索配合高強長錨索加固技術控制圍巖。

短錨索支護參數:頂板短錨索采用φ17.8 mm×2 600 mm的預應力鋼絞線,間排距1 000 mm×1 000 mm,預緊力不小于150 kN. 短錨索采用M型鋼帶聯結為一體,鋼帶長4.2 m,寬300 mm. 掛設六角編織金屬網護表。幫部短錨索采用φ17.8 mm×2 600 mm的預應力鋼絞線,間排距1 000 mm×1 000 mm,短錨索采用M型鋼帶聯結為一體,鋼帶長2.4 m,寬300 mm. 掛設六角編織金屬網護表。

新型高強長錨索加強支護參數:頂板長錨索采用φ21.8 mm×6 200 mm的預應力鋼絞線錨索加強支護,間排距為2 000 mm×2 000 mm,預緊力不小于250 kN.

5 實施效果

為了觀測14305工作面皮帶巷在留巷期間的圍巖活動規律,驗證沿空留巷支護參數的合理性,在沿空留巷過程中設置相應的測站,通過對頂板離層儀的日常監測(與工作面距離表示在工作面后方),對沿空留巷圍巖活動規律進行了觀測,得到頂板離層量與工作面距離的關系,見圖9.

圖9 巷道頂板離層值曲線

由圖9可知,在工作面后方0 m至工作面后方40 m范圍內,圍巖應力重新調整,頂板離層較大;在工作面后方40 m以外,應力調整重新達到平衡,頂板離層基本保持不變,進入穩定狀態。淺基點最大離層值為41 mm,深基點最大離層值為19 mm,巷道頂板離層值相對較小。錨索支護系統對頂板的控制效果良好,錨固區內沒有發生失穩性離層。

6 結 語

通過理論研究并利用FLAC3D數值模擬軟件,分析研究了錨索預緊力、長度、間排距對近距離煤層群采空區下巷道支護的影響和規律,結合已有的工程實踐,確定了合理的支護方案,并通過礦壓觀測手段驗證了支護的有效性和科學性。該方案保證了施工和回采的安全性,并有效提高了資源回收率。