煤制油項(xiàng)目高效供煤工作面煤柱圍巖變形規(guī)律研究

姚偉

摘要：本文針對(duì)棗泉煤礦大埋深、高地應(yīng)力條件下的大采高工作面進(jìn)行研究，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)、數(shù)據(jù)分析、理論分析等手段對(duì)不同尺寸護(hù)巷煤柱巷道進(jìn)行了綜合分析，得出棗泉煤礦大采高工作面煤柱應(yīng)力分布規(guī)律及煤柱尺寸優(yōu)化數(shù)據(jù)。該研究具有很強(qiáng)的代表性，給復(fù)雜應(yīng)力環(huán)境下大采高綜采工作面巷道布置提供了新的借鑒，解決了棗泉煤礦大采高綜采工作面輔助運(yùn)輸巷道受高地應(yīng)力、大采后動(dòng)壓影響下巷道圍巖易失穩(wěn)的難題，為復(fù)雜應(yīng)力環(huán)境下安全、高效回采探索出了一條安全、經(jīng)濟(jì)、實(shí)用的技術(shù)道路，提高了回采率，節(jié)約了煤炭資源，對(duì)推動(dòng)能源供給革命，實(shí)現(xiàn)煤制油項(xiàng)目可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。

Abstract： This paper studied on the large depth and high stress of Zaoquan coal mine under the condition of the working face with large mining height， different size of coal pillar roadways are analyzed by field measurement， data analysis and theoretical analysis and other means， the coal pillar stress distribution law and the coal pillar size optimization data are obtained in the large mining height working face. The study has a strong representation， it provides a new reference for roadway layout of fully mechanized mining face with large mining height under complex stress environment， solves dynamic stability problem of the Zaoquan coal mine fully mechanized mining face roadway auxiliary transport with high pressure tunnel and after mining dynamic pressure influence. to explore a safe， economical and practical technology road for the complex stress environment.It improves the recovery rate and saves the coal resources， which has a great significance to promote the revolution of energy supply and realize the sustainable development of the project of coal to oil projects.

關(guān)鍵詞：大采高工作面；圍巖；煤柱；應(yīng)力分布

Key words： large working face；surrounding rock；coal pillar；stress distribution

中圖分類號(hào)：TD82 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-4311（2019）03-0113-03

0 引言

棗泉煤礦是神華寧煤集團(tuán)第一座現(xiàn)代化礦井，隨著采煤工作面埋深的增加，受工作面采后動(dòng)壓及地應(yīng)力影響，嚴(yán)重制約采煤工作面的正常推進(jìn)與礦井采掘接續(xù)。因此，本文試圖研究大采高工作面?zhèn)认蛑С袎毫Φ姆植家?guī)律及其在指導(dǎo)下區(qū)段工作面布置以及護(hù)巷煤柱留設(shè)寬度等問(wèn)題，使大采高工作面的合理布置和煤柱護(hù)巷技術(shù)得到有效解決，為礦井實(shí)現(xiàn)安全高效開(kāi)采奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)，為神寧集團(tuán)煤制油項(xiàng)目提供優(yōu)質(zhì)的煤炭資源提供可靠保障。

1 試驗(yàn)巷道支護(hù)及加固形式

目前，神寧集團(tuán)棗泉煤礦西翼正在回采110203工作面，采高5.5m，工作面傾斜長(zhǎng)度275m，走向長(zhǎng)度2850m，皮帶運(yùn)輸巷和輔運(yùn)巷之間為40m煤柱，為了研究小煤柱留巷技術(shù)，在4號(hào)聯(lián)絡(luò)巷和5號(hào)聯(lián)絡(luò)巷之間的煤柱中專門(mén)布置一條小煤柱巷道來(lái)進(jìn)行小煤柱留巷技術(shù)研究，小煤柱試驗(yàn)巷埋深在300～400m之間，巷道為矩形斷面，巷道寬度4.6m，巷道高度3.6m，分10m小煤柱段和20m小煤柱段，4號(hào)聯(lián)絡(luò)巷巷口距停采線約1000m，如圖1所示。該小煤柱試驗(yàn)巷道采用錨網(wǎng)+鋼帶+錨索聯(lián)合支護(hù)，如圖2所示。

根據(jù)棗泉礦的生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)以及在120203工作面小煤柱巷道的試驗(yàn)結(jié)果，預(yù)計(jì)10m小煤柱段裂隙會(huì)與采空區(qū)貫通，為了防止煤柱裂隙與采空區(qū)貫通后，漏風(fēng)引起煤層自燃，提前對(duì)10m小煤柱段進(jìn)行加固。為了驗(yàn)證不同加固方案的加固效果，對(duì)10m小煤柱段分兩段進(jìn)行加固，每段長(zhǎng)度100m。第一段為表面噴漿段，第二段為注漿加固段，如圖3示。

第一段在受采動(dòng)影響前進(jìn)行巷道表面噴漿，封堵裂隙，噴漿厚度100mm，噴漿材料強(qiáng)度等級(jí)C20，425#普通硅酸鹽水泥，配比為：水泥？誜砂子？誜石子=1？誜2？誜2，水灰比0.45～0.55，速凝劑添加量為水泥用量的3%～5%。在頂板和兩幫進(jìn)行全斷面噴漿封閉；第二段進(jìn)行超前注漿，注漿加固主要在巷道10m小煤柱側(cè)巷幫進(jìn)行。為了保證注漿及時(shí)封堵裂隙加固圍巖，本文采用化學(xué)加固材料進(jìn)行注漿加固。小煤柱中注漿孔布置為“三花”布置，注漿孔間距控制在2m左右，注漿孔深度確定在5.0m左右。各注漿孔孔徑為42mm。如圖4所示。注漿順序?yàn)橄鹊秃蟾?。封孔及注漿方式：使用封孔器封孔，注漿段全長(zhǎng)一次注漿。封孔深度為800mm。注漿壓力：化學(xué)注漿終壓2～3MPa。

2 監(jiān)測(cè)方案的制定

110203工作面小煤柱試驗(yàn)巷不但受回采工作面超前支承壓力影響和側(cè)向支承壓力影響，還受采空區(qū)范圍煤柱壓力影響，以及二次采動(dòng)影響，巷道受力狀況非常復(fù)雜，因此，本文主要對(duì)110203工作面不同煤柱尺寸試驗(yàn)巷道圍巖變形規(guī)律進(jìn)行研究，掌握圍巖變形特征和錨桿受力特征。

2.1 監(jiān)測(cè)內(nèi)容和測(cè)站布置

主要監(jiān)測(cè)內(nèi)容有：巷道表面位移監(jiān)測(cè)、頂板離層監(jiān)測(cè)和錨桿錨索受力監(jiān)測(cè)。在10m和20m煤柱巷道內(nèi)各布置三個(gè)測(cè)站，測(cè)站應(yīng)避開(kāi)巷道交叉點(diǎn)等應(yīng)力復(fù)雜區(qū)域。

①巷道表面位移監(jiān)測(cè)。采用十字布點(diǎn)法安設(shè)表面位移監(jiān)測(cè)斷面。采用激光測(cè)距儀進(jìn)行在線監(jiān)測(cè)。

②頂板離層監(jiān)測(cè)。采用頂板位移傳感器在線監(jiān)測(cè)頂板巖層錨索錨固范圍內(nèi)位移值。頂板位移傳感器的安裝方法和步驟：頂板位移傳感器適合鉆孔直徑28mm。

③錨桿、錨索受力監(jiān)測(cè)。采用MC-500B型錨索測(cè)力計(jì)監(jiān)測(cè)錨桿受力，采用MC-500A型錨索測(cè)力計(jì)監(jiān)測(cè)錨索受力，錨索測(cè)力計(jì)主要由測(cè)力剛體、防護(hù)蓋、萬(wàn)向環(huán)等組成?？紤]到10m煤柱巷道要進(jìn)行表面噴漿，且原支護(hù)的錨桿外露較短，錨索測(cè)力計(jì)無(wú)法安裝，因此，在設(shè)計(jì)監(jiān)測(cè)斷面位置重新打錨桿和錨索，并施加設(shè)計(jì)預(yù)緊力，錨索測(cè)力計(jì)安設(shè)在錨桿或錨索端部，如圖5所示，并通過(guò)信號(hào)轉(zhuǎn)換器與監(jiān)測(cè)分站連接，在線監(jiān)測(cè)。每個(gè)測(cè)站布置6個(gè)MC-500B型錨索測(cè)力計(jì)和1個(gè)MC-500A型錨索測(cè)力計(jì)，如圖6所示。

2.2 煤柱裂隙擴(kuò)展動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)

為了掌握煤柱受采動(dòng)影響后，不同煤柱位置煤體節(jié)理、裂隙發(fā)育擴(kuò)展情況，在10m煤柱區(qū)和20m煤柱區(qū)巷幫各布置2個(gè)水平鉆孔，2個(gè)頂板垂直鉆孔，孔徑28～56mm，鉆孔深度7m。采用最新的數(shù)字式全景鉆孔攝像系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。監(jiān)測(cè)時(shí)間分三個(gè)時(shí)間段進(jìn)行監(jiān)測(cè)，采動(dòng)影響之前為第一時(shí)間段、采動(dòng)影響過(guò)程中為第二個(gè)時(shí)間段、采動(dòng)影響之后為第三個(gè)時(shí)間段。

3 監(jiān)測(cè)結(jié)果分析

自3月30日至8月下旬，通過(guò)對(duì)錨桿錨索受力、頂板離層與巷道表面位移5個(gè)月的連續(xù)監(jiān)測(cè)，取得了大量的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，分析結(jié)果如下：

10m煤柱巷道受110203工作面采動(dòng)影響前后巷道表面變形較大（見(jiàn)圖7），尤其以底鼓最嚴(yán)重，從井下實(shí)地觀察來(lái)看，最大底鼓位置在靠近工作面一側(cè)，整體分析情況如下：

①頂板離層分析。離層監(jiān)測(cè)結(jié)果分析可知：10m煤柱巷道頂板離層在超前110203工作面25m左右，離層量開(kāi)始明顯增大，到滯后工作面300m左右，離層開(kāi)始趨于穩(wěn)定，此階段離層量不大，淺部離層13mm，深部離層28mm，總離層量為41mm，且淺部離層明顯小于深部離層，說(shuō)明頂板煤巖層受力與整體性較好；滯后工作面300m以外主要是蠕變階段，此階段總離層量只有3mm左右。

②表面位移分析。10m煤柱段巷道自4月下旬開(kāi)始長(zhǎng)時(shí)期受工作面采動(dòng)影響，巷道表面移近量隨時(shí)間逐漸增大，由現(xiàn)場(chǎng)照片與離層監(jiān)測(cè)結(jié)果可知，超前工作面75m左右開(kāi)始受工作面超前采動(dòng)影響，滯后工作面300～350m左右工作面采動(dòng)影響基本結(jié)束，此階段兩幫移近量在1080mm左右，兩幫平均移近速度為11.78mm/d，最大移近速度為147mm/d；底鼓量在1370mm左右，平均底鼓速度為15mm/d，最大底鼓速度為117mm/d。

滯后工作面300～350m左右以外主要是蠕變階段，此階段兩幫移近量在50mm左右，平均移近速度為1mm/d；底鼓量在51mm左右，平均底鼓速度在1.2mm/d。

頂?shù)装遄冃沃饕缘坠臑橹?，兩幫變形?guī)律與底板變形規(guī)律一致，底鼓位置靠近煤柱側(cè)。

③錨桿錨索受力分析。

從4#、5#、6#測(cè)站超前工作面130m左右時(shí)，因受超前采動(dòng)影響各測(cè)站錨桿錨索受力開(kāi)始快速增大，超前工作面50m左右到滯后工作面5m左右為劇烈影響期，滯后工作面150m左右工作面采動(dòng)影響基本結(jié)束，此階段錨索受力從28kN增加到155kN。

幫錨桿受力從30kN增加到117kN，大部分已經(jīng)超過(guò)桿體屈服強(qiáng)度（335MPa），且有少數(shù)達(dá)到破斷拉力而被拉斷，左幫錨桿比右?guī)湾^桿受力變化提前30～120m。頂板錨桿受力相差不大，從20kN增加到131kN，因使用500號(hào)高強(qiáng)材料并未屈服。

綜合分析可知：受采動(dòng)影響后，圍巖淺部松動(dòng)圈范圍有所擴(kuò)展，且煤層裂隙發(fā)育破碎程度有所增長(zhǎng)；深部煤巖體出現(xiàn)破裂塌孔現(xiàn)象。

4 小結(jié)

綜合分析可知，大采高綜采工作面產(chǎn)生的采后動(dòng)壓在工作面傾向方向形成了一定的應(yīng)力分布，且采空區(qū)與原煤壁上方對(duì)應(yīng)的巖層形成了類拱形結(jié)構(gòu)，可以肯定該結(jié)構(gòu)形成的側(cè)向應(yīng)力分布中存在一定的應(yīng)力增高與下降區(qū)域，當(dāng)探知該應(yīng)力增高與下降區(qū)域規(guī)律后，即可將巷道布置在應(yīng)力下降區(qū)，以此為依據(jù)優(yōu)化煤柱尺寸。

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