南阳坡矿综放工作面沿空掘巷技术实践

2021-09-15孙日雄

煤 2021年9期

孙日雄

(晋能控股煤业集团铁峰公司，山西右玉 037200)

传统的护巷煤柱是在巷道与采空区之间留设大尺寸的护巷煤柱，保证巷道位于侧向支承压力影响区之外，一般为20～30 m。该方法巷道维护简单，但造成了煤炭资源的浪费。据统计，我国厚煤层资源丰富，所有生产矿井的厚煤层可采储量占总储量的40%以上。因此，开展厚煤层尤其是10 m以上特厚煤层沿空掘巷技术研究对降低煤炭资源的损失、提高矿井效益具有重要意义[1-4]。

1 试验工作面概况

南阳坡矿8800工作面位于408盘区，所采煤层为5号煤，煤层厚度8.71～13.39 m，平均10.53 m，煤层倾角2～5°，平均3°，煤层结构复杂，含有3～7层夹矸。煤层顶底板岩性如图1所示。煤矿瓦斯和二氧化碳等均为低级，无瓦斯突出。5号煤自燃倾向为II级，发火期3～6个月。煤尘有爆炸危险性，爆炸指数38%.

图1 5号煤顶底板岩性

目前5号煤工作面的区段保护煤柱为30 m，资源浪费大，为此在8800工作面正巷进行窄煤柱沿空掘巷的实验。巷道为矩形，沿煤层底板掘进，规格为5 000 mm×3 600 mm(宽×高)。

2 煤柱宽度的确定

2.1 理论计算

护巷煤柱的尺寸应当有利于巷道的支护，保证巷道围岩的相对完整，同时要位于处于上工作面回采后的应力降低区内，避免残余支承压力与本工作面超前支承压力叠加，影响巷道的稳定。运用极限平衡理论建立如图2所示的力学模型。

图2 最小护巷煤柱宽度计算

最小护巷煤柱宽度X为：

X=x1+x2+x3

式中：x1为上工作面回采产生的塑性区范围，m；x2为本巷道掘进产生的塑性区范围，m；x3为煤柱宽度的富余系数，一般x3=(0.15～0.45)(x1+x2)。

工作面回采和巷道掘进产生的塑性区宽度与煤层的内摩擦角、粘聚力等有关。根据8800工作面的实际条件，代入计算得到x1=2.16 m，x2=4.87 m，由此确定合理的护巷煤柱宽度为8.08～10.2 m。

2.2 数值模拟

根据理论计算的结果，采用FLAC3D数值模拟软件对8 m、9 m 、10 m、11 m不同煤柱宽度下的巷道应力分布和塑性区分布进行数值模拟。其中9 m、11 m煤柱下垂直应力分布如图3所示。

图3 不同煤柱宽度下垂直应力分布

由数值模拟结果可以看出，8800正巷掘进过程中受到上工作面回采后的侧向支承压力的影响。随着煤柱宽度的不同，应力分布情况不同。垂直应力主要作用于巷道两帮，与煤柱宽度呈近似的正比例关系。煤柱宽度大，垂直应力大。当煤柱宽度为8 m时，垂直应力最小，不足15 MPa，小于原岩应力。当煤柱宽度为9 m、10 m时，垂直应力近似于原岩应力相等，当煤柱宽度达到11 m时，煤柱中垂直应力达到27 MPa，为原岩应力的1.3倍。

沿空掘巷的位置应处于应力降低区，同时保证煤柱具有一定的承载能力，综合理论计算和数值模拟的结果，确定煤柱宽度为9.0 m。

3 巷道变形特征及控制机理

3.1 变形特征

窄煤柱巷道的失稳是顶板、底板、回采帮和小煤柱帮共同变形的结果。巷道开掘以后，改变了原始的应力场，而综放工作面的巷道沿底板掘进，直接顶板为煤层，强度较低。受上工作面侧向支承压力的影响，巷道出现变形。顶板的下沉主要由直接顶板的塑性位移和上覆岩层重力下的离层两部分组成，而巷道两帮由外向里逐渐进入塑性状态，表面煤岩体不断发生失稳破坏，加剧了顶板的下沉。两帮煤岩体进入塑性状态后，承载能力进一步丧失，支撑顶板的能力降低，顶板离层、下沉的速度变大，又加剧了两帮的破坏，形成“顶下沉—帮外鼓—顶下沉”的循环。

3.2 控制对策

由破坏机理可以看出，厚煤顶巷道的支护应该顶帮并重，在护顶的同时加强对巷道两帮的支护。可采用刚性支护与柔性支护结合，先抗压后让压的支护方式，可以在保证巷道稳定的同时，降低支护成本，控制原则为：

1) 采用高强锚杆支护系统。在巷道掘进支护时采用高强度锚杆，可以有效减少顶板煤体中裂隙的产生，抑制顶板的弯曲，减少塑性区的发展。同时，高强度锚杆延展性好，可以适应巷道初期的变形，释放高应力，维护顶板的稳定。

2) 提高锚索性能。常规D17.8 mm的7丝钢绞线已经不能满足支护要求。该锚索的拉断载荷为353 kN，延伸率为4%.而新型1×19结构D21.6 mm钢绞线的拉断载荷为510 kN，延伸率达7%，可以实现大直径、高延伸率，对破碎顶板巷道具有较好支护效果。

3.3 控制技术

根据厚煤顶巷道的变形特征及控制机理分析，提出了顶板、巷帮双桁架支护技术[5-6]，如图4所示。

两根顶锚索由专用的连接器连接到一起，实现了由单体到桁架的转变，将原来与顶板的点接触扩大为线接触，载荷可以连续传递。在施加高应力之后，有效减少顶板拉应力区，使顶板浅部煤岩体处于压应力状态，提高了抗变形的能力。同时桁架锚索呈“凹槽形”，为等强闭锁结构，当顶板发生离层时，可锚固点适当内移，对顶板的支护力随之增大，避免了上覆岩层的进一步变形。

巷道两帮的锚索槽钢连接到一起，形成一种类桁架结构。槽钢与两帮为面接触，通过锚索施加的预紧力可以有效阻止煤帮的碎胀变形，同时锚索将促进煤帮浅部的应力向深部转移，部分抵消浅部煤岩体承受的剪应力，控制煤帮的变形。

4 掘巷支护设计及应用

4.1 支护参数

结合矿井的实际情况，采用理论分析、数值模拟及工程类比等方法确定8800正巷的支护参数，如图5所示。

图5 南阳坡矿8800工作面正巷支护方案(mm)

4.1.1 顶板支护

1) 锚杆支护。顶锚杆为D20 mm×2 400 mm的高强螺纹钢锚杆，所用钢材牌号为BHRB500，屈服强度为500 MPa，拉断载荷达210 kN，配两卷CK2360树脂药卷加长锚固，锚杆间排距为900 mm×900 mm，每排布置5根，采用4 800 mm×100 mm×5 mm(长×宽×厚)的W钢带连接。

2) 锚索支护。顶锚索为单体锚索和桁架锚索交替布置，联合支护。

锚索桁架规格为D21.6 mm×9 400 mm，1×19丝钢绞线制作，钻孔深度8 m，采用3支CK2360和两支Z2360的树脂药卷加长锚固，安装时超快锚固剂位于钻孔底部。桁架锚索的底板跨距为2.0 m，两根锚索分别向巷道两帮倾斜15°。

顶锚索的滞后支护距离不大于5 m。

4.1.2 巷帮支护

1) 锚杆支护。帮锚杆为D20 mm×2 000 mm的高强螺纹钢锚杆，配CK2360和CK2335各1卷锚固，间排距为800 mm×900 mm，煤帮布置5根，采用梯子梁连接。

2) 锚索支护。回采帮锚索为单体锚索，锚索规格为D17.8 mm×4 300 mm，钻孔深度为4 000 mm，采用3支CK2360树脂药卷锚固，排距为1 800 mm。煤柱帮布置两根，上位锚索距顶1 000 mm，锚索间距为1 500 mm，两根采用槽钢连接到一起，排距为1 800 mm。