厚煤层综采工作面沿空掘巷技术研究.pdf

收稿日期:2022 03 17作者简介:高 磊(1996-),男,内蒙古鄂尔多斯人,采煤技术员,从事煤炭生产工作。doi:10.3969/j.issn.1005-2798.2023.09.013厚煤层综采工作面沿空掘巷技术研究高 磊(国家能源集团神东煤炭公司 大柳塔煤矿,陕西 神木 719315)摘 要:针对厚煤层综采工作面沿空掘巷围岩控制问题,基于巷旁支护体计算力学模型,对比重复动压影响条件下的单位长度内巷旁支护体所承受载荷及其承载能力,确定巷旁支护体关键参数,随后根据地质条件确定切顶卸压围岩控制方案,并进行了现场应用效果分析。结果表明:在工作面回采时,柔模混凝土墙体承受载荷未达到其破坏强度,安全系数达 1.72;在回风巷掘进时,巷道围岩变形量均较小,且墙体未出现裂隙破坏现象,表明该方案可改善巷道围岩稳定性。关键词:沿空掘巷;切顶卸压;巷旁支护;切顶参数中图分类号:TD322 文献标识码:A 文章编号:1005 2798(2023)09 0047 04 沿空掘巷无煤柱开采作为高效开采的一种典型形式,其基本原理是通过在上一工作面的采空区边缘不留煤柱或留小煤柱掘进下一工作面的回采巷道,使其位于应力降低区内,同时可配合切顶卸压技术破坏上覆厚硬岩层的完整性,切断悬臂粱结构及应力传递路径,形成双重保障,有效改善其巷道的围岩应力环境,同时还可以达到隔绝采空区的目的。国内学者也针对沿空掘巷技术开展了诸多研究,韩承强等1通过矿压监测数据及数值计算分析了沿空掘巷条件下的煤柱破坏规律,认为煤柱宽度对塑性区破坏影响最大;黄万朋等2通过理论分析提出小煤柱双巷掘进新方法,并采用切顶卸压配合高强度复合加固支护保护巷道围岩稳定,有效改善了采掘接替紧张的问题;孙殿宇3通过理论计算及数值模拟方法,确定了复杂条件下的侧向应力降低区范围和煤柱合理尺寸,并选择将巷道布置在降低区内,改善了回采期间巷道围岩变形量大的问题。综合上述分析,小煤柱沿空掘巷技术在一定程度上具有可行性,但由于其煤体本身强度有限,均伴随着不同程度的煤柱稳定性差的问题4。因此,本文提出采用巷旁支护+切顶卸压技术,即通过柔模混凝土墙体的构筑代替小煤柱,利用墙体具有的高强度特性可对顶板形成刚性支承,有效控制了顶板的回转下沉量,从而提高了沿空掘巷的可行性,为深井开采创造了较好的经济社会效益。1 工程概况某矿 52507 工作面采用综合机械化采煤,主采52 煤层,工作面煤层厚6.87.62 m,平均厚 7.3 m,属厚煤层,煤层倾角 13,平均倾角 2,属近水平煤层;工作面顶底板中,伪顶为 0.45 m 的泥岩,直接顶为 3.11 m 的粉砂岩,基本顶为 15.39 m 的细砂岩,直接底为 4.23 m 的粗砂岩,围岩整体强度相对较高;工作面范围内无断层、陷落柱等特殊地质构造,地质构造复杂程度属简单类型;工作面瓦斯日最大绝对涌出量为 1.09 m3/min,属低瓦斯矿井。52507 工作面顶底板情况如表 1 所示。表 1 52507 工作面顶底板情况顶底板 岩石名称厚度/m岩性特征老顶细砂岩3.120.5灰白色,水平层理,泥质胶结。直接顶粉砂岩03.0浅灰色,水平层理,局部夹细砂。伪顶泥岩00.2灰色,块状构造,含植物化石。直接底粗砂岩1.56.5灰白色,水平层理,夹有机质薄层。52507 工作面位于 52 煤五盘区,东侧为五盘区井田边界,西侧为 52 煤主运大巷,南侧为 52506 工作面采空区,北侧为 52508 工作面;52507 工作面走向长度 3 494.5 m,倾向长度 300.7 m,共布置有3 条回采巷道,均为矩形断面,其中运输巷巷宽 6 m,巷高 4.2 m,断面积 25.2 m2,全长 3 660 m;回风巷巷宽 5.8 m,巷高 4.2 m,断面积 24.36 m2,全长3 657 m,切眼巷宽 9.8 m,巷高 5.1 m,断面积49.98 m2,全长 300 m,均采用锚网索联合支护方式。52507 工作面布置平面图如图 1 所示。2 巷旁支护沿空掘巷应力分析2.1 巷旁支护载荷分析分离岩块法5作为上覆岩层载荷计算方法,在宏观上可对巷旁支护体所受载荷进行基本计算,其实实用用技技术术 第第 3 32 2 卷卷 第第 9 9 期期 2 20 02 23 3 年年 9 9 月月认为在巷道掘进时,巷旁支护体位于采空区与实体煤之间,上覆岩层于实体煤处以 角度产生回转下沉,而采空区一端由于垮落空间的存在,沿阶梯状形成自由面,其垮落煤岩体的自重即成为巷旁支护体结构所受载荷,如图 2 所示。图 1 52507 工作面布置平面图图 2 巷旁支护体承载力学模型 为基于分离岩块法进行巷旁支护体所受载荷计算,作出如下基本假设:1)岩块处于相对静止且平衡的状态,两侧及顶部边界无作用力存在;2)岩块两端的剪切角均为;3)岩块为刚体,且力矩总和为零。其载荷计算公式为:q=32htan+4(bB+x+bc)xh(bB+x+bc)BbB+0.5x(1)式中:q 为巷旁支护体载荷,kN/m;bB为留巷宽度,m;x 为巷旁支护体的宽度,m;bc为支护体外侧悬顶距,m;B为岩块容重,kN/m3;h 为工作面采高,m;为岩层破坏剪切角,.将工作面相关参数,巷旁支护体宽度 1.6 m 代入式(1)可 得,巷 旁 支 护 体 所 受 载 荷 q 为7 120 kN/m,考虑巷旁支护体同时承受工作面回采、巷道掘进动压影响及矸石侧向推力,结合工作面埋深,取重复采动系数为 2.3,故可知单位长度的巷旁支护体承受载荷为 2.3q=7 120 kN/m2.2.2 巷旁支护承载力分析柔模混凝土墙体6是一种复合纤维做模板,混凝土充填的支撑结构体,其柔性模板可内置钢筋锚栓用以控制横向变形。在上覆岩层的重力作用下产生轴向压力,而被约束的核心混凝土产生横向扩容变形,使得锚栓产生拉伸变形,从而形成了作用于核心混凝土的横向约束力,核心混凝土处于三向受压应力状态。其柔模墙体的承载能力计算公式为:N2=0.9(fc+4r)Acor(2)其内置锚栓的横向约束力为:r=d2b4a1a2 (3)式中:N2为巷旁支护承载力,kN/m;r为锚栓托盘产生的约束力,MPa;Acor为墙体断面积,m2;fc为墙体抗压强度,MPa;d 为锚栓直径,mm;b为锚栓抗拉强度,MPa;a1、a2为间排距,mm.根据工作面现有地质条件及支护材料,柔模袋内置横向锚栓选用 D22 mm1 700 mm 的螺纹钢锚栓,间排距 850 mm800 mm,抗拉强度为 490 MPa,将工作面相关参数及锚栓参数代入式(2)、式(3)中可知,单 位 长 度 柔 模 混 凝 土 墙 体 承 载 能 力 为26 365.4 kN/m2,结合前文所得承受载荷可知,安全系数为 1.61,基本确定 1.6 m 宽度的柔模混凝土墙可形成有效支护。3 沿空掘巷围岩控制方案3.1 巷旁支护体参数根据巷旁支护体沿空掘巷空间位置,巷旁支护体在浇筑完成后,共需受到 52507 工作面超前支承压力影响、滞后动压影响、52508 回风巷掘进动压影响、回采动压影响共 4 次。结合现阶段工作面采掘计划,初步确定在 52507 工作面回采前,超前工作面一定距离沿煤柱帮进行柔模混凝土墙体浇筑,待工作面回采完成后,沿墙体另一侧进行 52508 回风巷掘进,随后进行 52508 工作面回采。根据前文理论计算,初步确定巷旁支护体尺寸为长 4 m(巷道轴向),宽 1.6 m(巷道径向),高4.2 m,浇筑墙体之后 52507 回风巷巷宽 4.2 m,满足回风使用要求。为了提高墙体接顶效果,模袋顶部增加 200 mm 预留量,即柔模袋尺寸确定为:长宽高=4 m1.6 m4.4 m.巷旁支护体参数如图 384 第 32 卷所示。图 3 巷旁支护体参数(单位:mm)3.2 切顶卸压关键参数为进一步保证 52508 回风巷在掘进及回采时的巷道围岩稳定性,同时降低巷旁支护体所受载荷,提出采用切顶卸压技术,即通过爆破等方法在上覆岩层内形成弱面,破坏上覆岩层的完整性及连续性,避免其成为传力结构的同时,防止在回风巷采空侧顶板形成短悬臂粱结构。以此达到对回风巷围岩的双重保护。1)切顶高度及角度。根据工作面上覆岩层赋存情况可知,基本顶为 15.39 m 厚的细砂岩层,其整体强度较高,且对上覆岩层的承载其关键控制作用,因此,确定切顶高度为破坏基本顶为准,即切顶垂直高度 18.95 m.同时考虑上覆岩层最佳垮落角度为仰角 75,选择切顶角度为朝向 52507 运输巷方向仰角 75.2)钻孔间距。根据深孔爆破理论7可知,根据距离爆破点中心的距离,依次分为压碎区、裂隙区和震动区三部分,而压碎区和裂隙区均对岩体产生实质破坏,因此,可将裂隙区范围作为切顶卸压钻孔间距。其裂隙区半径计算公式为:RP=cdtd()1D2nK-2lB8 2cd()1r(4)式中:cd为抗压强度,MPa;td为抗拉强度,MPa;为药卷密实度,kg/m3,D 为应力波速,m/s;为隔热系数;n 为增压系数;d为泊松比;l 为药孔比;K 为不耦合系数;r 钻孔半径,取 0.03 m.将药卷参数与相关地质条件代入式(4)可得裂隙区半径为 2 m,因此钻孔间距选取为 4 m.钻孔布置示意如图 4 所示。4 现场应用效果分析4.1 52507 工作面回采时墙体应力分析为针对工作面回采时,超前支承压力影响范围内的巷旁支护体稳定性进行分析,选择在工作面回采一定距离且动压稳定后读取墙体应力监测计数据,并绘制如图 5 所示。图 4 钻孔布置示意 图 5 墙体应力曲线图 根据图 5 墙体应力分析可知,墙体所受应力基本符合超前支承压力分布规律,其应力峰值位于工作面前方 9.9 m 处,应力大小为 11.7 MPa,而巷旁支护体强度可达 20 MPa,安全系数达 1.72,即表明巷旁支护体可在工作面回采过程中,均保持其稳定性。4.2 52507 回风巷掘进时围岩变形量分析巷旁支护沿空掘巷的应用主要目的是为了保证52507 回风巷位于低应力区的同时,还可以提升巷道围岩稳定性,降低围岩变形量,因此,将位移监测点布置于距巷道开口 200 m 处,以滞后掘进工作面距离为 x 轴,围岩变形量为 y 轴,综合分析现场应用效果。围岩位移监测量如图 6 所示。图 6 巷道围岩变形量 由图 6 可知,在 52508 回风巷掘进后,围岩变形量呈先增加,后平稳的趋势,其中顶底板移近量相对94第 9 期 高 磊:厚煤层综采工作面沿空掘巷技术研究 较大,最大为 64 mm,两帮变形量相对较小,最大为53 mm,其围岩变形量均属于偏小范围,且巷道断面完整,由此可判断沿空掘巷围岩控制方案较为合理,有利于巷道围岩稳定性的提升。5 结 语1)基于分离岩块法,建立了沿空掘巷条件下的巷旁支护体承载计算力学模型,认为巷旁支护体主要承受巷道顶板区域内的覆岩载荷,并理论确定了巷旁支护体所受载荷为 16 376 kN/m2,同时给出了符合承载能力的柔模混凝土墙体尺寸为宽1.6 m,高 4.2 m;2)根据工程经验得出,采用切顶卸压技术可进一步保证多重动压下的回风巷围岩及巷旁支护体稳定性,并通过理论计算确定了切顶高度 18.95 m,钻孔间距 4 m,角度 75时可达到卸压效果;3)根据矿压监测数据分析得出,巷旁支护体内的应力峰值位于其设计强度之下,墙体处于稳定状态,同时回风巷掘进时,其巷道围岩变形曲线呈先急后缓,随后趋于稳定的变化趋势,并且变形量均较小,表明沿空掘巷围岩控制方案可有效保证巷道围岩的稳定性。参考文献:1 韩承强,张开智,徐小兵,等.区段小煤柱破坏规律及合理尺寸研究J.采矿与安全工程学报,2007(3):370-373.2 黄万朋,赵同阳,江东海,等.双巷掘进留窄小煤柱布置方式及围岩稳定性控制技术J.岩石力学与工程学报 2023,4(23):1-13.3 孙殿宇.复杂条件沿空掘巷煤柱留设方式研究J.煤矿现代化,2022,31(4):93-96,101.4 杨 洁.下霍煤矿2305 回风巷小煤柱沿空掘巷围岩控制技术研究J.山东煤炭科技,2022,40(7):50-53.5 梁刚勇,关键.新三矿高水材料充填沿空留巷技术应用研究J.内蒙古煤炭经济,2013(3):111-112,117.6 顾国民.倾斜煤层沿空留巷巷旁柔模混凝土墙体宽度设计J.山西焦煤科技,2021,45(8):4-7.7 徐向东,李青锋,唐湘隆.深部巷道围岩破碎区及裂隙区分布及其支护控制J.矿业工程研究,2018,33(1):11-18.本期编辑:王伟瑾(上接第 46 页)研究,基本支护条件下掘巷研究表明,巷道出现墙体倾斜及顶板下沉等问题,探讨分析原支护方案缺陷,提出采用长锚索进行补强支护,通过顶板取芯掌握顶板岩层岩性、厚度特征,确定锚索应端锚在稳定、坚硬的 5.5 m 厚中粒砂岩关键层中,据此确定顶板锚索长度为 9.7 m,根据“三径”合理匹配原理确定锚索孔合理直径为 30 mm,树脂药卷直径为 23 mm,采用“2-1-2”补强支护形式,矿压监测表明,巷道表面变形量较小且保持稳定,顶板离层得到有效控制,消除了墙体顶部压坏、墙体倾斜等问题,很好满足维护沿墙掘巷围岩的需要。图 5 矿压监测结果 参考文献:1 张晓琳.大采高工作面沿空留墙无煤柱开采技术应用研究J.煤,2022,31(12):28-30,34.2 于健浩.大采高工作面小(无)煤柱开采技术适应性研究J.煤炭工程,2022,54(9):6-11.3 段春阳.寺家庄矿大采高工作面巷旁充填沿空留墙技术应用J.煤矿现代化,2022,31(2):37-39.4王瑞栓.15119 工作面无煤柱开采技术研究与应用J.山东煤炭科技,2021,39(2):12-14,17.本期编辑:王伟瑾05 第 32 卷