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中厚煤层无煤柱开采回采巷道支护技术研究与应用

2020-10-14田剑舟

煤矿现代化 2020年6期
关键词:切顶锚索采空区

田剑舟

(山西汾西矿业(集团)有限责任公司曙光煤矿,山西 孝义032300)

1 工程概况

山西汾西矿业有限责任公司曙光煤矿主要位于山西省中部孝义市,现矿井生产能力90万t/a,开采2#煤层,平均厚度为2.85m,煤层倾角2°~6°,2#煤层伪顶厚约0.2m,岩性为黑灰色泥岩,局部发育,随采随落;直接顶为厚约3.2m的砂质泥岩,直接底为厚约2.7m的中粒砂岩,顶底板岩性特征详见表1。1232运巷对应地表标高在+927m~+1054m之间,1对应地表位置大部分为第三、第四系黄土覆盖,沟谷发育;1232运输巷井下位于一采区西翼,北部为尚未掘进的1234材料巷,南部为尚未掘进的1232材料巷,东邻一采区集中轨道巷,西至井田边界。1232运巷在山西组2#煤层中掘进,煤层标高在+442m~+504m之间,1232运巷在山西组2#煤层中掘进,上部为不可采的1#煤层下部为局部可采的3#煤层。曙光煤矿现阶段面临严重的采掘接替紧张的问题,为提高巷道利用率和采区回采率,设计在1232运巷采用切顶卸压沿空留巷技术,为取得较好的应用效果展开相关研究。

表1 顶底板岩性特征

2 1232运巷切顶留巷关键参数研究

切顶卸压沿空留巷无煤柱开采工艺是在传统留巷工艺基础上,通过对顶板施工预裂爆破钻孔,使顶板在工作面回采期间及时垮落,垮落的顶板在留巷采空区侧形成帮部,上覆岩层垮落快速充填采空区,冒落堆积的矸石起到支撑作用,形成稳定的结构,减小采空区顶板对巷道围岩稳定性的影响,有效保证巷道稳定。切顶卸压技术的关键参数为切顶高度、角度[1],为确保1232运巷的切顶效果首先展开合理参数的研究。

2.1 切顶高度分析

为确保采空区垮落岩层能够基本将采空区充填,参考类似地质条件下切顶留巷成功的案例,切顶垂直高度应不小于工作面采高的2.6倍,曙光煤矿1232工作面采高约为2.85m,故切顶高度应大于7.41m,具体的预裂切缝钻孔深度可由下式计算[2]:

式中:H缝为预裂钻孔垂直高度,m;H煤为工作面采高,m;ΔH1为顶板下沉量,m;ΔH2为底板底臌量,m;k为上覆岩层碎胀系数,1.3~1.4。

曙光煤矿1232工作面上覆岩层碎胀系数取1.3,工作面回采前1232运巷顶板下沉量约200mm,底板底鼓量约100mm,工作面采高为2.85m,由式(1)计算可得H缝=8.5m,因此确定预裂切缝钻孔垂直高度为9.0m。

2.2 切顶参数模拟研究

为验证预裂切缝钻孔垂直高度为9.0m的合理性,确定合理的钻孔布置方式,基于曙光煤矿1232运巷工程地质条件及各岩层实验室物理力学实验结果,采用UDEC离散元数值模拟软件建立模型[3],对不同切顶方案和支护方案模拟分析,模型沿工作面推进方向的切面建立,宽度为200m(工作面长度方向),高度60m(垂直方向),1232运巷宽度为5.5m,高度为2.8m,1232工作面采空区高度为2.85m,长度为150m,模型左右边界施加水分方向的位移约束,下部边界施加垂直方向的位移约束,上部边界施加应力约束,工作面平均埋深约450m,施加垂直应力为10.8MPa,具体模型如图1所示。

图1 数值模型示意图

参考类似地质条件下切顶留巷技术成功应用的实例,初步设计切顶预裂钻孔与垂直方向的角度分别为0°、15°、30°,切顶高度为9m,模拟方案:模型平衡后得到初始地应力场→1232运巷开挖支护→切顶→1232工作面开采。切顶预裂钻孔不同布置角度条件下,岩层运移垮落状态模拟结果如图2所示。

由图2所示结果可以看出,切顶高度9m条件下,切顶角度在0~30°之间,工作面回采后上覆岩层垮落后均基本将采空区充填,验证切顶高度为9m的合理性。切顶线沿垂直方向的条件下,沿空巷道顶板下沉量达到1100mm,表明采空区的矸石未能有效的支撑沿空巷道顶板短悬臂结构,顶板受到很大的垂直地应力作用,巷道围岩稳定性较差。切顶线与垂直方向15°条件下,采空区矸石碎胀作用下有效支撑顶板,切落的岩石对沿空巷道顶板起到斜撑作用,顶板下沉量仅为220mm,巷道围岩稳定,切顶效果良好。切顶线与垂直方向增大为30°条件下,顶板下沉量增大为510mm,由于沿空巷道顶板短壁结构长度增大,且切落的岩层未起到良好的支撑作用,导致顶板下沉量增大,不利于整体巷道围岩的稳定性控制。综上可知,切顶角度为15°较合理。

图2 数值模拟结果

3 支护方案优化设计数值模拟研究

采用UDEC进行不同支护参数下的数值模拟研究,类比相似地质条件下切顶留巷的支护方案[4],设计1232运巷采用以下方案进行支护:①方案一,直径20mm、长度2.4m的螺纹钢锚杆,每孔采用3卷K2335树脂药卷,间排距为900mm,顶板每排5根,两帮每帮各3根,顶板锚杆锚固力不低于100kN,帮部锚杆锚固力不低于50kN,安装预紧力距不小于200N?m。顶板布置直径21.8mm、长度8.0m的钢绞线锚索,每孔采用3卷K2850树脂药卷进行锚固,锚固力不小于250kN,预应力不小于120kN,沿巷道轴向通过W型钢带联结,钢带长5.4m,锚索间排距2000×2400mm。切顶留巷期间,在巷道靠近回采帮顶板布置规格为φ21.8mm×L8000mm的恒阻长锚索,恒阻器直径65mm,长度500mm,恒阻值35t,排距为1800mm,恒阻锚索间沿轴向同样通过W型钢带联结。②方案二,巷道掘进期间顶板锚索布置在巷道中心线处,每排一根,排距1800mm,相较方案一较少了一根非回采侧顶板锚索;③方案三,在方案二的基础上减小锚索长度,将锚索长度改为6.0m;④方案四,将顶板锚索长度改为7.0m。在不同支护方案条件下,进行工作面开挖模拟,模拟结果表明差别最大的为沿空巷道顶板最大下沉量,统计顶板最大下沉量的模拟结果详见图3。

图3 各支护方案顶板下沉量模拟结果统计

图4 1232运巷切缝钻孔布置及加强支护展开图

根据图3所示的结果可知,方案一条件下,顶板下沉量最小,支护效果良好,方案二相对于方案一减少顶板锚索的数量,顶板下沉量增大了10mm,围岩稳定性较好,而方案三、四条件下顶板下沉量增大更为明显,因此综合考虑安全、经济等因素,选择方案二作为1232运巷的支护方案。1232运巷留巷切顶及补强支护详情如图4所示,切顶钻孔直径为46mm,垂直高度为9.0m,布置间距为900mm,超前工作面20m进行预裂爆破;超前工作面50m施工恒阻长锚索,在工作面前方30m和后方100m采用单体柱+π形梁进行补强支护。

4 应用效果监测

采用十字交叉法观测巷道表面位移,整理得到图5所示的结果。图5(a)所示结果为巷道宽度在工作面回采前后的变化,1232运巷切顶留巷期间,大部分巷段两帮移近量小于200mm,个别巷段两帮移近量达到400mm左右;图5(b)所示结果为巷道高度在工作面回采前后的变化,1232运巷切顶留巷前后,多数巷段顶板下沉量保持在200mm以下,局部达到400mm以上;综上可知,1232运巷留巷期间围岩稳定性良好,表面位移量较小且在合理范围内,经过简单的返修即可服务于下个工作面。

5 主要结论和建议

为保证切顶卸压沿空留巷无煤柱开采技术在曙光煤矿1232运巷的成功应用,通过理论计算确定切缝线合理垂直高度为9m,采用Udec数值软件研究表明,切缝线与竖直方向呈15°夹角偏向采空区时,切顶效果最佳,依据1232运巷具体地质条件设计其留巷支护方案,并模拟分析优选出最佳方案,现场应用及巷道表面位移监测结果表明,留巷期间,大多数区域巷道顶板下沉量和两帮移近量均小于200mm,围岩整体稳定,支护效果显著,研究成果可为类似地质条件下切顶卸压留巷技术的应用提供借鉴。

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