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沿空留巷无煤柱开采力学模型及工程实践

2019-07-25苗青旺

煤矿现代化 2019年5期
关键词:空留巷区段岩层

苗青旺

(山西潞安集团蒲县伊田煤业有限公司,山西 临汾 041204)

煤炭资源作为我国主要的能源资源,对促进我国社会经济的发展发挥着战略意义[1-2]。但是,由于煤炭其不可再生性和赋存条件的复杂性,煤炭行业的可持续发展的实现要求煤炭资源在安全、高效开采的同时,提高煤炭资源的回采率。无煤柱开采中的沿空留巷技术通过将上区段的回采巷道留作下区段使用,既减少了巷道的掘进工作量,减少了区段煤柱造成的资源浪费,又避免了区段煤柱应力集中引起的顶板、围岩失稳破坏现象,对煤炭行业的可持续发展和煤矿的安全生产具有重要的实际应用价值。

1 无煤柱开采技术的发展

无煤柱开采技术主要分为沿空掘巷和沿空留巷两种方式,其中,沿空留巷无煤柱开采技术发展较快,在我国的各大矿区正得到广泛的实践应用[3-5]。

我国对沿空留巷技术和理论的研究开始于20世纪50年代,个别矿区在煤层赋存条件相对较好的区段应用沿空留巷技术,沿空留巷技术得到初步探索。20世纪70年代,随着对巷道围岩应力分布规律及采动引起的矿压显现规律研究的不断深入,基于对回采巷道布置与矿上压力显现之间内在联系的分析,部分重点煤矿开始应用沿空留巷,沿空掘巷技术得到进一步发展。20世纪90年代末,由于沿空留巷技术在主要矿区得到成功的实践应用,业内开始制定相关的法律法规对沿空留巷技术进行系统的规范和部署,对沿空留巷技术在我国的推广应用具有里程碑意义。21世纪以来,随着以巷旁充填和锚杆支护为基础的巷道围岩控制技术的不断完善,沿空留巷技术在各大矿区不断攻克相关难题,得到广泛应用和发展[6-7]。

2 沿空留巷围岩结构体力学模型

沿空留巷开采过程中,在上区段工作面回采后,需要在回采巷道的采空区侧通过充填体对采空区进行隔离,并对巷道进行稳定性维护。因此,下区段煤体、巷旁充填体和采空区矸石在基本顶来压作用下,将形成“煤体-充填体-矸石”的沿空留巷的巷道围岩结构。该围岩结构与上覆 岩层的相互作用对巷道的稳定性起着至关重要的作用,是决定沿空留巷成败的关键因素。

2.1 沿空留巷围岩结构体特征

从关键层理论分析的角度对沿空留巷上覆岩层与下区段实体煤、巷旁充填体和采空区矸石形成的“砌体梁”巷道围岩结构进行力学建模分析。

图1 沿空留巷围岩结构示意图

如图1所示为沿空留巷围岩结构,随着上区段工作面不断向前推进,基本顶在实体煤内发生断裂,形成如图1所示的结构模型。上覆关键层以实体煤帮和巷旁充填体为支撑点,其中巷道实体煤帮承受最大的应力集中作用,容易发生较大的变形,不利于巷道的使用。与此同时,关键块体在回转和下沉过程中发生触矸,沿空留巷的巷道在上区段工作面回采、上覆岩层运动稳定后,下区段实体煤、巷旁充填体以及采空区矸石等共同承受由于上覆岩层运动而引起的矿山压力。因此,从围岩结构体的宏观角度看,科学合理的巷旁充填体以及稳定煤帮的巷内支护对沿空巷道的稳定性控制起着重要作用。

2.2 沿空留巷围岩结构体力学模型的建立

图2 沿空留巷围岩结构力学模型

如图2所示,将模型结构简化成弹性结构,因此,可以建立沿空留巷弹性基础力学模型。下区段实体煤、巷旁充填体和采空区矸石共同支撑和控制上覆基本顶岩层弯曲下沉引起的承载力。

实体煤煤帮上方顶板的最终下沉量yc为:

巷旁充填体上方顶板最终下沉量ym为:

基本顶平均下沉量y为:

式中:Sk为巷帮煤体塑性区宽度,m;Hk为巷道宽度,m;Ck为充填体宽度,m;LE为岩梁宽度,近似为基本顶周期来压步距,m。yg为沿空留巷上覆基本顶岩梁末端无阻碍沉降值,mm;mZ为直接顶厚度,m;KA为岩石碎胀系数。

从对沿空留巷围岩结构体力学模型的分析可知,沿空留巷的稳定性与基本顶岩层的运动密切相关,同时,下区段实体煤的受力变形规律和巷旁充填体的稳定性对回采巷道的使用发挥着至关重要的作用。

3 工程实践

3.1 工程概况

以山西潞安集团蒲县伊田煤业2#煤层的1103工作面的沿空留巷的巷道支护设计为工程背景,其中,回采巷道的剖面图为矩形,宽度为4m,高度为2.5m,该煤层埋深在180m左右,煤层倾角3~5°的缓倾斜煤层,煤层平均厚度为1.36m,煤层及顶底板岩层的岩性及厚度见表1。

表1 煤层及顶底板岩层的岩性

3.2 巷道支护设计

本文从对实体煤煤帮、顶板和巷旁充填体的支护进行巷道稳定性分析。

巷内支护的基本形式为高强螺纹钢锚杆和锚索支护方式。通过锚杆的初始支护作用有效扩散于锚杆周围的岩体中,从而控制围岩中新生裂纹的产生和裂纹的进一步扩展,以及节理裂隙、弱结构面等的破坏。根据锚杆支护的经验,在结合该煤层具体地质条件的基础上,确定顶板锚杆的直径20mm,长度2.4m,预紧力矩300N·m,排距900mm×1000mm;实体煤帮锚杆间、排距均为1000mm;锚索直径φ18.9mm,长度6.3m,每排2根锚索,间距1.8m,排距3m,预紧力为350kN。

充填式巷旁支护是沿空留巷多种支护形式中支护效果较好的一种支护形式,但是对充填体的强度、性能等要求较高。在工作面顶板垮落过程中要求巷旁充填体要有够的强度以应对直接顶岩层的跨落冲击作用。另外,巷旁充填体也应该具有较好的变形性能,以适应基本顶岩层的回转下沉作用。

3.3 支护效果监测

通过在沿空留巷的巷道内安设巷道位移监测点,实时监测1103工作面回采期间巷道的变形规律。其中,测站1在采煤工作面前方50m处,监测工作面前方10~50m范围内巷道巷道在超前支承压力影响下的变形规律;测站2在采煤工作面后方10m处,用于监测工作面推过后10~50m范围内沿空留巷的变形规律。

图3 监测点的监测曲线

如图3(a)所示,工作面前方巷道受超前支承压力的影响,随着工作面的推进,在工作面前方10~30m的范围内巷道变形量较大;两帮移近量为25mm,其中巷旁充填体的变形量为5mm;顶底板移近量为32mm,顶板下沉量为11mm,底板向上的移近量为21mm。巷道变形仍以实体煤帮与底板变形量为主。如图3(b)所示,两帮移近量为20mm,巷旁充填体的变形量为2mm,实体煤帮向巷道的移近量为18mm;顶底移近量为25mm,顶板下沉量为15mm。

4 结束语

沿空留巷开采过程中,下区段煤体、巷旁充填体和采空区矸石在基本顶来压作用下,将形成“煤体-充填体-矸石”的沿空留巷的巷道围岩结构。

通过对山西潞安集团蒲县伊田煤业2#煤层的1103工作面(上区段)的沿空留巷的过程中实体煤煤帮、顶板和巷旁充填体的支护进行巷道稳定性分析,进一步验证了该围岩结构与上覆岩层的相互作用对巷道的稳定性的作用,是决定沿空留巷成败的关键因素。

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