沿空大断面切眼煤柱留设与围岩控制技术

谢绍颖,刘 栋

(1.安徽恒源煤电股份有限公司恒源煤矿,安徽淮北 235162;2.中国矿业大学矿业工程学院,江苏徐州 221008)

沿空大断面切眼煤柱留设与围岩控制技术

谢绍颖1,刘 栋2

(1.安徽恒源煤电股份有限公司恒源煤矿,安徽淮北 235162;2.中国矿业大学矿业工程学院,江苏徐州 221008)

通过分析沿空掘巷时上覆岩层大结构的状态,说明了在沿空掘巷条件下维持巷道稳定的可能性及对小结构及时支护的必要性。对沿空掘巷时煤柱的留设问题进行了分析和计算。现场试验表明,通过合理地留设煤柱和对巷道围岩及时支护可有效保持巷道的稳定性,取得了良好的效果。

大断面;切眼;沿空掘巷;煤柱留设;围岩控制

恒源煤电公司Ⅱ6119工作面切眼位于相邻区段采空区附近,且巷道上覆岩层直接顶为复合顶,易发生离层,巷道不易维护。此外,由于该切眼断面较大,故采用二次成巷施工方式。研究表明,采用二次成巷施工方式时,巷道周围出现较多拉张屈服区,此时塑性范围较大[1],且扩宽施工时会对围岩产生扰动,进一步加大巷道维护难度。

1 工程概况

Ⅱ6119工作面位于Ⅱ61采区的西部边缘,风巷沿保护煤柱线布置,工作面西部为恒源公司与河南新庄煤矿矿井边界,南部为 2006年回采结束的6516综采工作面,其东部为尚未布置采掘工程的Ⅱ6119工作面,北部为二水平南大巷和即将布置采掘工程的 3部胶带机巷及 4号联巷。

工作面伪顶不发育,直接顶自下而上分别为泥岩、细砂岩,总厚 2.71～7.13m,平均 5.27m。泥岩厚 1.53～4.18m,平均为 3.20m。在煤层上 0.5～1.0m的泥岩中,发育一层或数层煤线,直接顶为复合顶板,极易发生离层,煤层综合柱状如图 1。

为开采Ⅱ6119工作面需沿 6516综采工作面采空区附近开切眼,采用导硐法施工,首次掘进宽为3.4m,高帮高度不低于 2.6m,低帮高度为 2.2m,全长掘通后再扩宽到设计尺寸。

图1 煤层综合柱状

2 巷道控制原则及煤柱的确定

2.1 沿空巷道围岩控制原则

巷道上覆岩层大结构对巷道稳定性具有重要影响。研究表明,在沿空掘进过程中上覆岩层大结构虽不可避免发生一定程度的下沉和破坏,但其整体仍然保持原有的稳定状态,巷道外部力学环境并没有发生大的变化[2],故沿空巷道是能够通过一定的支护措施而保持稳定状态的。

但是巷道的开掘使围岩原有三向应力平衡状态遭到破坏,围岩强度下降,承载性能弱化;此外,导硐施工完成后需对其进行扩宽,在扩宽过程中,巷道围岩受到扰动影响,此时若不及时进行支护,则浅部围岩将会因受到扰动影响而破坏并逐渐扩展至深部围岩,因此,沿空掘巷时需要对围岩进行及时支护。

为增强浅部围岩力学性能,需对围岩进行锚杆加固,通过其轴向作用和径向作用,一方面可以控制围岩的变形和错动,另一方面可以改善围岩应力状态,提高围岩强度,增强其抵抗变形的能力。在此基础上,采用锚索加固措施将强化后的围岩悬吊于上部稳定岩层中。从而使巷道在大结构稳定的前提下,小结构的承载性能也得以发挥,保证了掘出巷道的稳定性。

2.2 掘巷位置选择

初始掘巷位置的选择关系到其所在位置上覆围岩大结构所处的状态,从而进一步关系到维护所掘巷道的难易程度,合理的开切眼位置应使掘出的巷道处于低应力、较稳定的上覆岩层大结构之下。由于沿空掘巷时从采空区到煤体深部支承压力先升后降,故合理的巷道位置应当避开高应力区以减轻支承压力集中区的影响。在存在内应力条件下,可供选择的掘巷位置有 3种,如图 2所示。由于位置 2位于支承压力集中区下,故在位置 2掘出的巷道最不易维护;在位置 1和 3处掘进巷道均较易维护,但在位置 3掘进巷道需留设较大煤柱,不利于提高采出率,因此,位置 1为最佳掘进位置[3-4]。

2.3 切眼沿空煤柱宽度确定

初始掘巷位置选择仅是对沿空巷道大致位置的判断,其具体位置取决于所留设煤柱的宽度。由于锚杆支护时巷道围岩的状态与性质对锚固效果具有一定的影响,考虑到沿空掘巷时靠近采空侧的煤体存在一定范围的破坏区,因此,为保证锚杆支护效果,合理的煤柱宽度应能使锚杆位于破碎区之外。

根据极限平衡理论,合理的最窄煤柱宽度 B如图3所示。

图3 煤柱宽度计算

计算公式为:

式中,x1为因上区段工作面开采而在下区段沿空掘巷窄煤柱中产生的破碎区,其宽度按下式计算:

式中,m为煤层采厚,取 2.7m;A为侧压系数,A =μ/(1-μ),μ为泊松比,取μ=0.3;φ0为煤层界面的内摩擦角,取 27°;C0为煤层界面的黏聚力,取 2.5MPa;k为应力集中系数,取 1.5;γ为岩层平均密度,取值为 2.5t/m3;H为巷道埋深,取 600m;Px为对煤帮的支护阻力,因上区段巷道采用锚杆支护,可取 Px=0.1MPa。

x2为窄煤柱一帮锚杆有效长度,暂取锚杆长度为 2.0m。x3为考虑煤层厚度而增加的煤柱稳定性系数,按 0.2(x1+x2)计算。

通过理论计算,并结合现场实际生产条件,最终确定Ⅱ6119工作面切眼处煤柱宽度B=4m。

3 巷道支护参数设计

结合工程经验,在地质力学评估和围岩分类的基础上确定巷道支护参数。

3.1 顶板支护

基本支护 导硐期间顶板每排布置 5根<20mm×M22×2400mm高性能锚杆,扩宽后在扩宽侧顶板布置 4根 <20mm×M22×2400mm高性能锚杆。采用树脂药卷加长锚固,预紧扭矩应达到200N·m以上,均与顶板垂直。

加强支护 导硐期间顶板中每隔 3排锚杆布置1排 <17.8mm×6800mm锚索 (排距为 2.4m),扩宽后在扩宽侧顶板再布置 2根相同规格锚索,每排4根,锚索距煤帮均为 1m。采用树脂药卷加长锚固,锚索垂直顶板布置,钢铰线外露长度为 150～250mm,锚索张拉力在 120kN左右。

3.2 煤帮支护

巷道窄煤柱帮采用 4根 <20mm×2000mm高性能锚杆,间距为 800mm,上下两条锚杆分别距顶、底 300mm,呈 30°角分布。实体煤帮导硐期间布置3根 <20mm ×2000mm玻璃钢锚杆,间距为900mm,扩宽后间距改为 800mm。采用树脂药卷加长锚固,锚杆预紧扭矩应达到 100N·m。

具体支护布置如图 4所示。

图 4 Ⅱ6119工作面支护方案设计

4 效果分析

为了检验控制方案的效果,对切眼掘出后的围岩表面变形进行了观测,同时,结合井下具体条件,在变形较大区域对煤柱内部围岩状况进行了钻孔录像。

4.1 监测效果分析

通过对切眼的连续观测,在导硐期间,巷道变形比较稳定,变形量及变形速度较为缓和,顶板下沉量不超过 45mm,两帮移近量不超过 60mm,其中巷道收敛变形主要特点是两帮稍大于顶板;顶板离层发生在锚固区内很小,离层总量 22mm,锚固区外离层控制在安全范围内,如图 5所示。

图5 掘进期间顶底板移近量曲线

由图 5可见,高强度锚杆支护对顶板围岩及窄煤柱稳定起到了很好的控制作用。总体上,巷道支护状况良好,围岩变形得到了有效控制。

4.2 内部围岩状况

由钻孔窥视图 6可知,沿空煤柱整体完整,无明显的裂纹、破碎等现象发生,表明煤柱参数及支护方案对煤柱帮起到了良好的控制效果。

图6 窄煤柱煤体内部状况

5 结论

(1)通过分析沿空掘巷时上覆岩层大结构的状态,选定了切眼的开掘位置并运用极限平衡理论和井下实际条件确定煤柱宽度为 4m。

(2)针对上覆岩层所处状态及复合顶板易离层的特点,提出采用高性能锚杆支护加锚索补强的支护体系。

(3)工程实践表明:沿空开切眼过程中扩宽时产生的扰动对围岩的稳定性有重要影响,使用高性能锚杆加锚索支护可以较好地改善围岩的承载性能,减轻扰动影响,保持巷道稳定性。

[1]阚甲广,张 农,李桂臣,等 .深井大跨度切眼施工方式研究 [J].采矿与安全工程学报,2009,26(2).

[2]李学华 .综放沿空掘巷围岩稳定控制原理与技术 [M].徐州:中国矿业大学出版社,2008.

[3]梁兴旺,王连国,何兴华,等 .沿空掘巷窄煤柱合理宽度的确定[J].矿业研究与开发,2007,27(2).

[4]王海涛,黄自发 .留小煤柱沿空掘巷技术的研究与应用[J].煤炭工程,2006(5).

[责任编辑:王兴库]

Design of Coal Pillar for Large-section Open-off Cut along Gob and Surrounding Rock Control Technology

XIE Shao-ying1,L IU Dong2

(1.Hengyuan Colliery,Anhui Hengyuan Coal&Power Co.,Ltd,Huaibei 235162,China; 2.Mining Engineering School,China University ofMining&Technology,Xuzhou 221116,China)

By analyzing state of large structure of overlying strata,this paper believed that keeping roadway along gobwhichwas driven along gob was possible and it was necessary for supporting small structure immediately.This paper analyzed and calculated width of coal pillar for driving roadway along gob.Actual test showed that rationalpillarwidth and immediate supportingwere favorable to keeping roadway stability.

large section;open-off cut;driving roadway along gob;coal pillar design;surrounding rock control

TD263.4 2

A

1006-6225(2010)05-0035-03

2010-07-20

谢绍颖 (1963-),男,安徽颍上人,硕士,高级工程师,现任安徽恒源煤电股份有限公司恒源煤矿矿长。