厚煤层综采工作面沿空掘巷技术研究
2023-09-14高磊
高 磊
(国家能源集团神东煤炭公司 大柳塔煤矿,陕西 神木 719315)
沿空掘巷无煤柱开采作为高效开采的一种典型形式,其基本原理是通过在上一工作面的采空区边缘不留煤柱或留小煤柱掘进下一工作面的回采巷道,使其位于应力降低区内,同时可配合切顶卸压技术破坏上覆厚硬岩层的完整性,切断悬臂粱结构及应力传递路径,形成双重保障,有效改善其巷道的围岩应力环境,同时还可以达到隔绝采空区的目的。
国内学者也针对沿空掘巷技术开展了诸多研究,韩承强等[1]通过矿压监测数据及数值计算分析了沿空掘巷条件下的煤柱破坏规律,认为煤柱宽度对塑性区破坏影响最大;黄万朋等[2]通过理论分析提出小煤柱双巷掘进新方法,并采用切顶卸压配合高强度复合加固支护保护巷道围岩稳定,有效改善了采掘接替紧张的问题;孙殿宇[3]通过理论计算及数值模拟方法,确定了复杂条件下的侧向应力降低区范围和煤柱合理尺寸,并选择将巷道布置在降低区内,改善了回采期间巷道围岩变形量大的问题。综合上述分析,小煤柱沿空掘巷技术在一定程度上具有可行性,但由于其煤体本身强度有限,均伴随着不同程度的煤柱稳定性差的问题[4]。因此,本文提出采用巷旁支护+切顶卸压技术,即通过柔模混凝土墙体的构筑代替小煤柱,利用墙体具有的高强度特性可对顶板形成刚性支承,有效控制了顶板的回转下沉量,从而提高了沿空掘巷的可行性,为深井开采创造了较好的经济社会效益。
1 工程概况
某矿52507工作面采用综合机械化采煤,主采52煤层,工作面煤层厚6.8～7.62 m,平均厚7.3 m,属厚煤层,煤层倾角1～3°,平均倾角2°,属近水平煤层;工作面顶底板中,伪顶为0.45 m的泥岩,直接顶为3.11 m的粉砂岩,基本顶为15.39 m的细砂岩,直接底为4.23 m的粗砂岩,围岩整体强度相对较高;工作面范围内无断层、陷落柱等特殊地质构造,地质构造复杂程度属简单类型;工作面瓦斯日最大绝对涌出量为1.09 m3/min,属低瓦斯矿井。52507工作面顶底板情况如表1所示。
表1 52507工作面顶底板情况
52507工作面位于52煤五盘区,东侧为五盘区井田边界,西侧为52煤主运大巷,南侧为52506工作面采空区,北侧为52508工作面;52507工作面走向长度3 494.5 m,倾向长度300.7 m,共布置有3条回采巷道,均为矩形断面,其中运输巷巷宽6 m,巷高4.2 m,断面积25.2 m2,全长3 660 m;回风巷巷宽5.8 m,巷高4.2 m,断面积24.36 m2,全长3 657 m,切眼巷宽9.8 m,巷高5.1 m,断面积49.98 m2,全长300 m,均采用锚网索联合支护方式。52507工作面布置平面图如图1所示。
图1 52507工作面布置平面图
2 巷旁支护沿空掘巷应力分析
2.1 巷旁支护载荷分析
分离岩块法[5]作为上覆岩层载荷计算方法,在宏观上可对巷旁支护体所受载荷进行基本计算,其认为在巷道掘进时,巷旁支护体位于采空区与实体煤之间,上覆岩层于实体煤处以θ角度产生回转下沉,而采空区一端由于垮落空间的存在,沿阶梯状形成自由面,其垮落煤岩体的自重即成为巷旁支护体结构所受载荷,如图2所示。
图2 巷旁支护体承载力学模型
为基于分离岩块法进行巷旁支护体所受载荷计算,作出如下基本假设:
1) 岩块处于相对静止且平衡的状态,两侧及顶部边界无作用力存在;
2) 岩块两端的剪切角均为θ;
3) 岩块为刚体,且力矩总和为零。
其载荷计算公式为:
(1)
式中:q为巷旁支护体载荷,kN/m;bB为留巷宽度,m;x为巷旁支护体的宽度,m;bc为支护体外侧悬顶距,m;γB为岩块容重,kN/m3;h为工作面采高,m;θ为岩层破坏剪切角,°.
将工作面相关参数,巷旁支护体宽度1.6 m代入式(1)可得,巷旁支护体所受载荷q为7 120 kN/m,考虑巷旁支护体同时承受工作面回采、巷道掘进动压影响及矸石侧向推力,结合工作面埋深,取重复采动系数为2.3,故可知单位长度的巷旁支护体承受载荷为2.3q=7 120 kN/m2.
2.2 巷旁支护承载力分析
柔模混凝土墙体[6]是一种复合纤维做模板,混凝土充填的支撑结构体,其柔性模板可内置钢筋锚栓用以控制横向变形。在上覆岩层的重力作用下产生轴向压力,而被约束的核心混凝土产生横向扩容变形,使得锚栓产生拉伸变形,从而形成了作用于核心混凝土的横向约束力,核心混凝土处于三向受压应力状态。其柔模墙体的承载能力计算公式为:
N2=0.9(fc+4σr)Acor
(2)
其内置锚栓的横向约束力为:
(3)
式中:N2为巷旁支护承载力,kN/m;σr为锚栓托盘产生的约束力,MPa;Acor为墙体断面积,m2;fc为墙体抗压强度,MPa;d为锚栓直径,mm;σb为锚栓抗拉强度,MPa;a1、a2为间排距,mm.
根据工作面现有地质条件及支护材料,柔模袋内置横向锚栓选用D22 mm×1 700 mm的螺纹钢锚栓,间排距850 mm×800 mm,抗拉强度为490 MPa,将工作面相关参数及锚栓参数代入式(2)、式(3)中可知,单位长度柔模混凝土墙体承载能力为26 365.4 kN/m2,结合前文所得承受载荷可知,安全系数为1.61,基本确定1.6 m宽度的柔模混凝土墙可形成有效支护。
3 沿空掘巷围岩控制方案
3.1 巷旁支护体参数
根据巷旁支护体沿空掘巷空间位置,巷旁支护体在浇筑完成后,共需受到52507工作面超前支承压力影响、滞后动压影响、52508回风巷掘进动压影响、回采动压影响共4次。结合现阶段工作面采掘计划,初步确定在52507工作面回采前,超前工作面一定距离沿煤柱帮进行柔模混凝土墙体浇筑,待工作面回采完成后,沿墙体另一侧进行52508回风巷掘进,随后进行52508工作面回采。
根据前文理论计算,初步确定巷旁支护体尺寸为长4 m(巷道轴向),宽1.6 m(巷道径向),高4.2 m,浇筑墙体之后52507回风巷巷宽4.2 m,满足回风使用要求。为了提高墙体接顶效果,模袋顶部增加200 mm预留量,即柔模袋尺寸确定为:长×宽×高=4 m×1.6 m×4.4 m.巷旁支护体参数如图3所示。
图3 巷旁支护体参数(单位:mm)
3.2 切顶卸压关键参数
为进一步保证52508回风巷在掘进及回采时的巷道围岩稳定性,同时降低巷旁支护体所受载荷,提出采用切顶卸压技术,即通过爆破等方法在上覆岩层内形成弱面,破坏上覆岩层的完整性及连续性,避免其成为传力结构的同时,防止在回风巷采空侧顶板形成短悬臂粱结构。以此达到对回风巷围岩的双重保护。
1) 切顶高度及角度。根据工作面上覆岩层赋存情况可知,基本顶为15.39 m厚的细砂岩层,其整体强度较高,且对上覆岩层的承载其关键控制作用,因此,确定切顶高度为破坏基本顶为准,即切顶垂直高度18.95 m.同时考虑上覆岩层最佳垮落角度为仰角75°,选择切顶角度为朝向52507运输巷方向仰角75°.
2) 钻孔间距。根据深孔爆破理论[7]可知,根据距离爆破点中心的距离,依次分为压碎区、裂隙区和震动区三部分,而压碎区和裂隙区均对岩体产生实质破坏,因此,可将裂隙区范围作为切顶卸压钻孔间距。其裂隙区半径计算公式为:
(4)
式中:σcd为抗压强度,MPa;σtd为抗拉强度,MPa;ρ为药卷密实度,kg/m3,D为应力波速,m/s;η为隔热系数;n为增压系数;μd为泊松比;l为药孔比;K为不耦合系数;r钻孔半径,取0.03 m.
将药卷参数与相关地质条件代入式(4)可得裂隙区半径为2 m,因此钻孔间距选取为4 m.钻孔布置示意如图4所示。
图4 钻孔布置示意
4 现场应用效果分析
4.1 52507工作面回采时墙体应力分析
为针对工作面回采时,超前支承压力影响范围内的巷旁支护体稳定性进行分析,选择在工作面回采一定距离且动压稳定后读取墙体应力监测计数据,并绘制如图5所示。
图5 墙体应力曲线图
根据图5墙体应力分析可知,墙体所受应力基本符合超前支承压力分布规律,其应力峰值位于工作面前方9.9 m处,应力大小为11.7 MPa,而巷旁支护体强度可达20 MPa,安全系数达1.72,即表明巷旁支护体可在工作面回采过程中,均保持其稳定性。
4.2 52507回风巷掘进时围岩变形量分析
巷旁支护沿空掘巷的应用主要目的是为了保证52507回风巷位于低应力区的同时,还可以提升巷道围岩稳定性,降低围岩变形量,因此,将位移监测点布置于距巷道开口200 m处,以滞后掘进工作面距离为x轴,围岩变形量为y轴,综合分析现场应用效果。围岩位移监测量如图6所示。
图6 巷道围岩变形量
由图6可知,在52508回风巷掘进后,围岩变形量呈先增加,后平稳的趋势,其中顶底板移近量相对较大,最大为64 mm,两帮变形量相对较小,最大为53 mm,其围岩变形量均属于偏小范围,且巷道断面完整,由此可判断沿空掘巷围岩控制方案较为合理,有利于巷道围岩稳定性的提升。
5 结 语
1) 基于分离岩块法,建立了沿空掘巷条件下的巷旁支护体承载计算力学模型,认为巷旁支护体主要承受巷道顶板区域内的覆岩载荷,并理论确定了巷旁支护体所受载荷为16 376 kN/m2,同时给出了符合承载能力的柔模混凝土墙体尺寸为宽1.6 m,高4.2 m;
2) 根据工程经验得出,采用切顶卸压技术可进一步保证多重动压下的回风巷围岩及巷旁支护体稳定性,并通过理论计算确定了切顶高度18.95 m,钻孔间距4 m,角度75°时可达到卸压效果;
3) 根据矿压监测数据分析得出,巷旁支护体内的应力峰值位于其设计强度之下,墙体处于稳定状态,同时回风巷掘进时,其巷道围岩变形曲线呈先急后缓,随后趋于稳定的变化趋势,并且变形量均较小,表明沿空掘巷围岩控制方案可有效保证巷道围岩的稳定性。
