王庄煤矿厚煤层综采工作面窄煤柱沿空掘巷围岩控制技术研究

田计宏

(山西潞安环保能源开发股份有限公司 王庄煤矿,山西 长治 046031)

1 工程概况

王庄煤矿9107综采工作面开采平均煤厚为6.08 m的3号煤层,煤田总体呈现由西北向西南扩展的单斜构造,倾斜角度2°～6°。沿着煤层底板布置宽×高分别为5.0 m×3.6 m的矩形巷道,巷道顶板和底板主要由砂质泥岩、泥岩、粉砂岩和石灰岩组成。巷道直接顶为平均厚度7.44 m的砂质泥岩,巷道基本顶为平均厚度2.2 m的粉砂岩,直接底为平均厚度2.15 m的泥岩,老底为平均厚度8.6 m的石灰岩。根据现场的钻孔情况得到如图1所示的9107综采工作面顶底板综合柱状图。

图1 9107综采工作面顶底板综合柱状图Fig.1 Comprehensive histogram of roof and floor in 9107 fully-mechanized working face

在开掘9107工作面回风巷时沿着9106工作面采空区留设窄煤柱,具体留设的窄煤柱位置关系如图2所示。

图2 窄煤柱位置关系图Fig.2 Location diagram of narrow coal pillars

9107综采工作面回采过程中,在距离保护煤柱比较近的一侧的巷道顶部岩层及巷道两帮周围岩层破碎严重[1-3]。9106综采工作面在回采期间,留设的是宽度30 m的保护煤柱,效果很差,并且煤炭资源浪费严重,因此,9107综采工作面煤柱留设的尺寸有待研究[4-5]。

2 理论计算

煤柱宽度的留设应该保证煤柱对顶部岩层的支撑能力,煤柱宽度不宜太小,太小会致使巷道周围岩层受动压影响破坏严重,锚杆失效。图3为极限平衡理论窄煤柱理论计算示意图[6]。

图3 煤柱宽度计算模型Fig.3 Calculation model for coal pillar width

由煤(岩)体的极限平衡理论[7]可得到沿空掘巷留设窄煤柱的合理理论计算宽度,沿空巷道窄煤柱计算公式为:

b=x1+x2+x0.

(1)

式中:b为护巷煤柱的宽度,m;x0为工作面采空区应力作用下形成的塑性区宽度,m;x1为煤柱稳定性系数,按(30%～50%)(x0+x2)取值;x2为巷道靠近护巷煤柱这一侧所布设的锚杆的有效长度,取2.4 m。

运用煤(岩)体的极限平衡理论得到采空区侧区段煤柱塑性区宽度x0为:

(2)

式中:h为9107工作面设计采高,取3.72 m;λ为9107工作面巷道的侧压系数,取0.32;φ0为煤层内摩擦角,取35°;C0为9107工作面所采3#煤的黏聚力,取0.8 MPa;K为9107工作面所受应力集中系数,取1.8;γ1为所采3#煤层的覆岩平均容重,取25 kN/m3;h为巷道埋藏深度,取240 m;px为设计支护参数下9107工作面护巷煤柱所受到的支护阻力,取0.2 MPa。

将以上相关参数代到式(2)中，可得x0=1.12 m。

经过理论计算,可求得王庄煤矿煤柱的宽度b为4.576～5.280 m,因此王庄煤矿的小煤柱宽度取5 m。

3 数值模拟计算

3.1 建立模型

以王庄煤矿9107综采工作面为工程背景,建立长×宽×高=200 m×80 m×50 m的数值模型,为了提高数值模拟的准确度,根据实际地质情况加密建立模型的巷道和煤柱四周的网格。模拟所需的顶底板岩层物理力学参数如表1所示。根据实际物理力学参数，计算得出上覆岩层施加的应力。巷道左侧为实体煤,右侧为9107工作面,整个模型在前、后、左、右及下部均为固定边界,没有水平位移,限制垂直位移。模型最上层垂直方向的应力按照埋藏深度240 m、上覆岩层容重25 kN/m3计算,计算中模型上边界施加5.0 MPa载荷,在数值模拟的实验过程中,建立3.0,5.0,10.0,15.0 m四种不同的煤柱宽度的模型[8]。

表1 9107综采工作面顶底板岩层物理力学参数Table 1 Physical and mechanical parameters of the roof and floor strata of 9107 fully mechanized mining face

续表1

3.2 垂直应力云图分布分析

图4为煤柱宽度为3,5,10,15 m时煤柱所受的垂直方向的应力云图。

(b)煤柱宽度5 m

(c)煤柱宽度10 m

(d)煤柱宽度15m

1)回采的过程中,随着煤柱宽度的增大,煤柱受到垂直方向的应力的最高峰值及应力比较大的区域也随着留设煤柱宽度的增大而慢慢增大。当尺寸较小时,其相应的垂直方向的应力也比较小。当留设的煤柱宽度为3 m时,其所受应力的最大值为8.5 MPa,相应地对上部岩层的压力承载力也会比较小,容易受到回采动压的影响而产生裂隙致使漏风,同时,巷道围岩也会发生位移变化;当留设的煤柱宽度为5 m时,其所受应力的最大值为12.5 MPa,其承受顶部岩层压力的能力比较好,煤柱没有产生明显的裂隙,巷道和煤柱比较稳定。当煤柱宽度逐渐增大时,9107工作面所留设的煤柱应力集中现象更加明显。

2)根据9107综采工作面煤柱所受的垂直方向的应力云图可以得出,留设5 m宽的煤柱时,煤柱的稳定性较好,除此之外,煤柱处于应力逐渐降低的区域内;留设10～15 m宽的煤柱时,煤柱所受的应力较高的区域逐渐变大,9107工作面巷道的维护比较困难;煤柱宽度为15 m时,巷道整体不稳定,同时煤炭资源的浪费比较严重。

3.3 不同宽度煤柱巷道表面位移量分析

通过模拟分析9107综采工作面回采期间留设不同宽度煤柱的位移情况,得到回采期间巷道表面位移量,如表2所示。

表2 回采期间巷道表面位移量Table 2 Surface displacement of roadway during mining

由表2可知,当留设的煤柱宽度为3 m时,9107综采工作面巷道的左帮和右帮的位移总和为658.53 mm;当留设的煤柱宽度为5 m时,9107综采工作面巷道的左帮和右帮的位移总和为637.99 mm,处于巷道煤柱这一侧的位移明显大于处于实体煤这一侧巷帮的位移,巷道顶部岩层和底板之间的相对移近量为278.70 mm;当留设的煤柱宽度为10 m时,9107综采工作面巷道的左帮和右帮的位移总和为988.71 mm,巷道顶部岩层和底板之间的相对移近量为502.00 mm;当留设的煤柱宽度为15 m时，巷道的变形量开始显著增大,巷道的左帮和右帮的位移总和为1 240.00 mm,巷道顶部岩层和底板之间的相对移近量为362.81 mm,这种情况表明此时巷道受到的应力比较高,巷道不稳定。

3.4 结果分析

根据以上模拟结果分析,当留设的护巷煤柱的宽度为15 m时,巷道不稳定,同时煤炭资源的损失比较大；当留设的护巷煤柱的宽度为10 m时,在回采过程中巷道围岩所受到的变形程度比较大；当留设的护巷煤柱的宽度为3～5 m时,巷道围岩的整体情况比较稳定,巷道整体处在低应力的范围内,护巷煤柱所受到的应力比较小。但是,留设的煤柱尺寸不宜太小,例如,当留设的护巷煤柱的宽度为3 m时,回采巷道容易受到巷道顶板来压得影响,留设的煤柱会产生裂隙,护巷作用降低,致使回采作业不能正常进行。而当留设的护巷煤柱的宽度为5 m时,根据数值模拟结果显示,巷道围岩整体变形较小,可以起到正常的护巷作用,根据地质条件选用合理的支护技术就能够保证巷道的正常回采作业。所以,王庄煤矿选择留设5 m宽的煤柱。

4 巷道围岩支护方案现场实测

图5为巷道支护断面图。巷道采用锚杆锚索联合支护,巷道顶部岩层每排布置的锚杆型号为MSGLW-335,直径22 mm,长度2 400 mm,所布设的锚杆间距和排距分别为850 mm、900 mm；巷道顶部岩层锚索的布置方式为“3-2-3-2”,锚索的直径22 mm,长度9 300 mm,顶板锚索的排距为900 mm,间距为1 500 mm、2 000 mm。巷道左侧巷帮锚杆间距和排距分别为800 mm、900 mm,左帮位于最顶部锚杆的位置距离巷道顶部岩层200 mm,并且倾斜布置,倾斜角为15°；左帮位于最底部锚杆的位置距离巷道底部岩层200 mm。巷道左侧巷帮布设直径22 mm和长度5 300 mm的锚索,左侧巷帮锚索的布置方式为“2-0-2”,其锚索间距为1 200mm,排距为1 800 mm。巷道右侧巷帮每排布置的锚杆的型号为MSGLW-335,直径22 mm,长度2 000 mm,巷道右侧巷帮锚杆的间距和排距分别为1 000 mm、900 mm,右帮位于最顶部锚杆的位置距离巷道顶部岩层250 mm,并且倾斜布置,倾斜角为15°；右帮位于最底部锚杆的位置距离巷道底部岩层350 mm。

图5 巷道支护断面图Fig.5 Support Section diagram in roadway

5 9107工作面回风巷围岩控制效果

根据留设5 m宽的煤柱尺寸和支护方案,在9107回风巷进行了现场工业性应用,并对9107回风巷围岩的稳定性进行了实时监测。采用十字布点法安设表面位移监测断面,如图6所示。选取的第一个测站点A布置在离掘进头10 m的位置处,第二个测站点B布置在距离第一个测站点30 m的位置处。巷道表面移近变形情况如图7所示。

图6 巷道表面位移监测断面布置Fig.6 Section layout for surface displacement monitoring

(a)A测点

(b)B测点图7 巷道表面位移监测Fig.7 Surface displacement monitoring of roadway

根据巷道表面位移监测结果得出如下结论。

1)巷道顶底板及两帮在0～10 d期间位移比较明显,在10～21 d期间巷道周围岩层变形速度慢慢变小,在21 d的时候已经趋于稳定。

2)稳定之后,A测站点顶部岩层下沉了127 mm,B测站点顶部岩层下沉了133 mm。其中,巷道靠近煤柱一侧移进了122 mm,巷道距离实体煤比较近的这一侧移进了105 mm,顶板下沉量和两帮移近量均得到有效控制。

实测表明,巷道在掘进过程中的变形较小,所选用的支护方式及参数对巷道有较好的支护作用,围岩控制情况较为理想。

6 结论

本文以王庄煤矿9107综采工作面留设区段煤柱的宽度及巷道支护方案为背景,根据本矿的地质条件,通过理论计算并辅以数值模拟验证等手段确定了5 m宽的区段煤柱比较合理。9107综采工作面回采过程中,采用十字布点法对巷道围岩进行表面位移监测,通过对现场监测数据分析研究,可知9107综采工作面留设宽度5 m的区段煤柱可以维持巷道稳定,煤柱宽度合理,满足工程需求。