林西礦1793工作面區(qū)段合理煤柱寬度與圍巖控制技術(shù)研究

謝 晉

(開灤集團(tuán) 林西礦業(yè)有限公司，河北 唐山 063103)

1 工程概況

開灤集團(tuán)林西礦1793工作面位于11水平1700采區(qū)，工作面走向長(zhǎng)度514 m，傾斜長(zhǎng)度131 m，處于8號(hào)、9號(hào)煤合并區(qū)域，8號(hào)煤層厚度0.9～2.3 m，平均1.6 m，已回采完畢，工作面主要開采9號(hào)煤層，煤層厚度0.60～8.00 m，綜合平均厚度5.50 m，煤層傾角16～30°，平均22°。1793工作面進(jìn)風(fēng)巷及回風(fēng)巷均沿9號(hào)煤層頂板掘進(jìn)，由于8號(hào)煤層已回采完畢(覆巖已運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定)，故回采巷道區(qū)域頂板為再生頂板，由于再生頂初次垮落為隨采隨落，為保障1793工作面的回采安全，對(duì)回采巷道區(qū)段煤柱的合理寬度和巷道圍巖控制技術(shù)進(jìn)行了分析。

2 區(qū)段煤柱合理寬度分析

為分析確定1793工作面回采巷道的區(qū)段煤柱尺寸，采用UDEC數(shù)值模擬軟件進(jìn)行模擬，基于數(shù)值模擬結(jié)果確定回采巷道合理的煤柱寬度，為保障下分層復(fù)采工作面回采巷道圍巖穩(wěn)定提供堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

根據(jù)1793工作面的地質(zhì)條件，建立模型的尺寸為長(zhǎng)×高=150 m×100 m，設(shè)置數(shù)值模擬模型中工作面長(zhǎng)131 m，埋藏深度600 m，在模型的兩側(cè)各留設(shè)50 m的邊界尺寸，固定模型兩側(cè)邊和底邊施加固定約束，在模型上邊界施加上覆巖層的容重，設(shè)置下分層復(fù)采工作面的區(qū)段煤柱寬度分別為5 m、7 m、9 m和11 m，分別模擬不同煤柱寬度下圍巖變形量及塑性區(qū)分布特征。在數(shù)值模擬作業(yè)時(shí)，模擬順序?yàn)椋撼跏嫉貞?yīng)力平衡—上分層工作面巷道開挖平衡—上分層工作面回采平衡—下分層工作面巷道開挖平衡。

2.1 垂直位移分析

根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果，得出不同區(qū)段煤柱寬度下垂直位移的分布規(guī)律如圖1所示。

圖1 不同區(qū)段煤柱寬度下圍巖垂直位移分布情況

由圖1可知，回采巷道頂?shù)装逡平侩S著區(qū)段煤柱寬度的增大呈現(xiàn)出逐漸減小的趨勢(shì)，在區(qū)段煤柱寬度為5 m時(shí)，回采巷道頂板下沉量及底板移近量的最大值分別為203 mm和40 mm；當(dāng)區(qū)段煤柱寬度增大到7 m時(shí)，頂板下沉量和底板鼓起量分別為149 mm和33 mm，頂板下沉量的下降幅度達(dá)到26.6%；當(dāng)區(qū)段煤柱寬度增大到9 m時(shí)，此時(shí)巷道頂板下沉量和底板鼓起量分別為93 mm和30 mm，該煤柱寬度下與煤柱寬度為7 m時(shí)相比，頂板下沉量的下降幅度為37.6%；當(dāng)煤柱寬度進(jìn)一步增大時(shí)，回采巷道頂板下沉量及底鼓量的下降值均逐漸減小，在煤柱寬度為11 m時(shí)，頂板下沉量降低為68 mm，底板鼓起量基本不再出現(xiàn)變化，表明當(dāng)煤柱寬度大于9 m時(shí)，煤柱寬度的增大對(duì)巷道頂?shù)装逡平康挠绊懶Ч饾u減小。同樣根據(jù)數(shù)值模擬，得出在區(qū)段煤柱寬度大于9 m時(shí)，當(dāng)煤柱寬度進(jìn)一步增大對(duì)保障巷道兩幫穩(wěn)定的效果也逐漸衰弱。

2.2 塑性區(qū)分析

根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果，得出巷道在不同區(qū)段煤柱寬度下圍巖塑性區(qū)的發(fā)育特征如圖2所示。

圖2 不同煤柱寬度下圍巖塑性區(qū)分布特征

由圖2可知，在區(qū)段煤柱寬度為5 m時(shí)，煤柱變形嚴(yán)重，煤柱在全寬上基本均處于塑性狀態(tài)，回采巷道右?guī)偷乃苄詤^(qū)發(fā)育寬度為1.5 m；當(dāng)區(qū)段煤柱寬度增大為7 m時(shí)，此時(shí)煤柱在全寬范圍內(nèi)仍存在著塑性破壞現(xiàn)象，巷道右?guī)偷乃苄詤^(qū)發(fā)育寬度為1.2 m；當(dāng)區(qū)段煤柱寬度增大為9 m時(shí)，此時(shí)煤柱中部存在著未塑性破壞的區(qū)域，即彈性核區(qū)，其寬度為2 m，回采巷道右?guī)偷乃苄詤^(qū)破壞深度為1 m。

綜上分析，1793工作面回采巷道的區(qū)段煤柱寬度確定為9 m。

3 巷道圍巖控制技術(shù)

3.1 支護(hù)設(shè)計(jì)

1793工作面進(jìn)風(fēng)巷和回風(fēng)巷均為半圓拱形斷面，巷道寬×高=4.5 m×2.6 m，考慮到巷道頂板為再生頂板，直接頂在采掘作業(yè)下不穩(wěn)定，結(jié)合數(shù)值模擬結(jié)果，為充分保障回采巷道圍巖體的穩(wěn)定，確定巷道采用U型鋼棚架棚支護(hù)，U型鋼支護(hù)棚距為600 mm，拱梁和腿搭接長(zhǎng)度為500 mm，搭接處各用兩個(gè)卡纜卡住，卡纜間距為400 mm，鋪設(shè)由D5.7 mm的金屬焊接的網(wǎng)，網(wǎng)孔規(guī)格為100 mm×100 mm(頂網(wǎng)4 000 mm×900 mm、幫網(wǎng)3 500 mm×900 mm)。同時(shí)每架棚按照850 mm的間距均勻布置11根剎桿，棚之間用5根拉桿(采用D18 mm、L=700 mm的圓鋼焊制)聯(lián)鎖，具體支護(hù)方式如圖3所示。

圖3 1793工作面回采巷道支護(hù)方案示意(mm)

在回采巷道過局部地質(zhì)構(gòu)造區(qū)段和超前工作面10～30 m的范圍內(nèi)，為保障巷道圍巖的穩(wěn)定，需采取加強(qiáng)支護(hù)的方式，在拱型棚梁下中間位置打單排單體柱，單體柱與棚梁接觸點(diǎn)要用薄木板墊實(shí)，柱頂要用鐵絲與棚梁拴牢，柱底穿柱鞋。

3.2 效果分析

為檢驗(yàn)上述方案在現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際應(yīng)用效果，工作面回采期間，在進(jìn)風(fēng)巷超前工作面100 m的位置布置巷道表面位移監(jiān)測(cè)站，監(jiān)測(cè)巷道頂?shù)装遄冃瘟亢蛢蓭鸵平?，具體監(jiān)測(cè)結(jié)果如圖4所示。

由圖4可知，在1793工作面回采期間，當(dāng)測(cè)點(diǎn)與回采工作面間的距離大于30 m時(shí)，巷道頂?shù)装寮皟蓭突咎幱诜€(wěn)定狀態(tài)，頂?shù)装寮皟蓭偷淖畲笞冃嗡俾史謩e為23 mm/d和17 mm/d；當(dāng)測(cè)點(diǎn)與回采工作面間的距離小于30 m時(shí)，頂?shù)装寮皟蓭偷淖冃嗡俾试龃?，尤其到距離10～15 m時(shí)，變形量突然增大，頂?shù)装寮皟蓭妥畲笠平糠謩e為169 mm和202 mm，變形速率分別為58 mm/d和41 mm/d，此時(shí)，要進(jìn)一步加強(qiáng)礦壓觀測(cè)，分析原因，必要時(shí)進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)。

圖4 1793工作面回采期間進(jìn)風(fēng)巷表面位移曲線

4 結(jié) 語(yǔ)

基于上述分析可知，進(jìn)風(fēng)巷在9 m煤柱寬度和現(xiàn)有支護(hù)方案下，雖然工作面前方10～15 m范圍頂?shù)装寮皟蓭偷淖冃瘟枯^大，但也在巷道允許范圍內(nèi)，總體上巷道圍巖的變形很小，說明巷道圍巖在現(xiàn)有煤柱寬度和支護(hù)方案下能夠保持穩(wěn)定。