錢炳均
(霍州煤電集團(tuán)河津騰暉煤業(yè)有限責(zé)任公司,山西 河津 043300)
窄煤柱護(hù)巷作為一種回采巷道布置方式,具有巷道維護(hù)簡(jiǎn)單、資源回收率高的優(yōu)點(diǎn),近年來得到了廣泛的應(yīng)用[1-2]?;糁菝弘婒v暉煤業(yè)主采煤層為2號(hào)煤,為優(yōu)質(zhì)的貧瘦煤;為了提高煤炭資源的回收率,決定降低區(qū)段護(hù)巷煤柱的尺寸,在騰暉礦2-105工作面進(jìn)行沿空掘巷的試驗(yàn)。
擬進(jìn)行窄煤柱護(hù)巷試驗(yàn)的2-105 工作面位于一采區(qū),北部為已經(jīng)回采的2-104 工作面,西部為礦井邊界,東部為采區(qū)巷道。工作面埋藏深度353~485 m。2 號(hào)煤層賦存穩(wěn)定,傾角平緩,平均厚度為5.2 m,局部厚度有變化,含0-2 層夾矸,夾矸厚度約0.1 m。工作面頂?shù)装鍘r性見圖1。
圖1 2 號(hào)煤頂?shù)装鍘r性
工作面采用走向長壁放頂煤開采,走向長度640 m,傾斜長度120 m,工作面布置見圖2。工作面運(yùn)輸巷為矩形,斷面為5.0 m×3.0 m(寬×高),沿煤層底板掘進(jìn),錨網(wǎng)支護(hù),擬進(jìn)行窄煤柱護(hù)巷的試驗(yàn)。
圖2 試驗(yàn)巷道平面布置
工作面開采和巷道開掘后,在煤壁產(chǎn)生塑性區(qū),護(hù)巷煤柱的寬度應(yīng)大于塑性區(qū)的距離并保證一定的富余系數(shù),見圖3[1-4]。
圖3 最小護(hù)巷煤柱寬度計(jì)算
最小護(hù)巷煤柱寬度B 為:
式中:x1為2-104 工作面開采而產(chǎn)生的塑性區(qū)寬度,m;x2為2-105 運(yùn)輸巷掘進(jìn)而產(chǎn)生的塑性區(qū)寬度,m;x3為增加的保護(hù)煤柱的寬度,m,一般取值為兩個(gè)塑性區(qū)寬度之和的15%~35%。
x1、x2下式計(jì)算:
R1為塑性區(qū)半徑,計(jì)算公式如下:
式中:m 為巷道高度,m;α 為煤層傾角,°;A 為側(cè)壓系數(shù),A=μ/(1-μ),μ 為泊松比,取0.39;K 為應(yīng)力集中系數(shù);H 為埋深,m;φ0為煤體內(nèi)摩擦角,°;C0為煤體粘結(jié)力,MPa;γ 為巖層容重,kN/m3;p0為支護(hù)阻力,MPa;R0為井巷等效半徑,m。
根據(jù)以上條件,可以計(jì)算得到x1=2.36 m,x2=3.58 m,由此確定合理的護(hù)巷煤柱寬度為6.6~7.7 m。
根據(jù)理論計(jì)算的結(jié)果,采用FLAC3D對(duì)4~9 m不同區(qū)段保護(hù)煤柱下的巷道表面位移進(jìn)行計(jì)算分析,計(jì)算結(jié)果見圖4。
圖4 不同煤柱寬度時(shí)圍巖變形量
圖4表明,隨著護(hù)巷煤柱尺寸的增加,巷道變形先減小后增大,并且頂?shù)装逦灰坪蛢蓭鸵平康淖兓厔?shì)基本相同。當(dāng)煤柱寬度在7 m以下時(shí),隨著煤柱尺寸的增加,巷道表面位移逐漸減少,分析是由于此時(shí)巷道處于側(cè)向支承應(yīng)力的降低區(qū)內(nèi)。而超過7 m后,煤柱尺寸的增加造成位移的增加,此時(shí)巷道所處的位置已經(jīng)位于支承壓力區(qū)內(nèi),受原巖應(yīng)力的影響較大,因此巷道變形量變大。
綜合以上理論計(jì)算和數(shù)值模擬研究結(jié)果,確定騰暉礦2-105 工作面護(hù)巷窄煤柱的合理寬度為7 m。
利用建立的FLAC3D模型,得到無支護(hù)狀態(tài)的2-105 工作面順槽的塑性區(qū)分布見圖5。
圖5 無支護(hù)狀態(tài)下塑性區(qū)分布
由圖可以看出:無支護(hù)狀態(tài)下,工作面運(yùn)輸順槽的兩幫和頂板均有一定范圍的塑性區(qū)發(fā)育,主要破壞形式為剪切和拉伸破壞,其中巷道兩幫剪切破壞尤為明顯。巷道頂板淺部約1.9 m處既有拉伸破壞也有剪切破壞,1.9 m以上以拉伸破壞為主,頂板破壞范圍在7 m以內(nèi)。
分析可知,2-105 工作面窄煤柱護(hù)巷支護(hù)設(shè)計(jì)應(yīng)該以頂板為主,且支護(hù)高度應(yīng)該大于7 m。巷道底板相對(duì)穩(wěn)定,僅底角正下方及淺部發(fā)生剪切破壞,支護(hù)設(shè)計(jì)時(shí)可不予考慮。
以錨索的長度、排距及頂錨桿的數(shù)量為關(guān)鍵指標(biāo),采用FLAC3D軟件對(duì)不同指標(biāo)選取下的巷道表面位移進(jìn)行模擬,正交模擬方案見表1[5]。
表1 正交模擬方案
以錨索長度為例,不同錨索長度下巷道變形量的數(shù)值模擬結(jié)果見圖6。
圖6 錨索長度與巷道表面位移關(guān)系
由圖可以看出,隨著錨索長度的增加,巷道的底臌量幾乎保持不變,巷道頂板和兩幫變形量呈現(xiàn)逐漸降低的趨勢(shì),但降低速率不同。當(dāng)錨索長度小于8 m時(shí),隨著長度的增加,頂板下沉和兩幫收斂迅速減少,但當(dāng)錨索長度由8 m變?yōu)? m時(shí),巷道變形幾乎保持不變。因此,錨索長度為8.0 m時(shí),錨索能較好地控制巷道圍巖變形量。
按照以上方法確定錨索的排距為0.9 m,頂錨桿數(shù)量為6 根。
在數(shù)值模擬的基礎(chǔ)上,結(jié)合理論計(jì)算和工程類比,最終確定支護(hù)方案見圖7。
圖7 2-105 運(yùn)輸巷巷支護(hù)方案
(1)頂板支護(hù)
a、錨桿支護(hù)
頂錨桿為Φ18 mm×2 400 mm的高強(qiáng)螺紋鋼錨桿,每根錨桿使用兩卷Z2360 樹脂錨固劑;間排距為0.9 m×0.9 m,每排布置錨桿6 根,靠近煤幫的兩根錨桿向外傾斜15°,其余垂直頂板。每排錨桿用W鋼帶相連,規(guī)格為4 800 mm×100 mm×5 mm(長×寬×厚)。
b、錨索支護(hù)
頂錨索規(guī)格為Φ17.8 mm×8 400 mm,鉆孔深度8.0 m。使用三卷Z2360 數(shù)值錨固劑。錨索呈“五花”布置。
(2)巷幫支護(hù)
實(shí)體煤幫采用Φ18 mm×2 000 mm左旋無縱筋螺紋鋼錨桿,配一卷Z2360 樹脂錨固劑,間排距為800 mm×900 mm,每排最上位和最下位錨桿分別向上和向下傾斜15°,其余垂直巷幫布置。
回采煤幫采用Φ18 mm×2 000 mm的玻璃鋼錨桿,其他參數(shù)與實(shí)體煤幫相同。
2-105 運(yùn)輸巷掘進(jìn)過程中設(shè)置測(cè)站,對(duì)巷道表面位移和頂板離層進(jìn)行觀測(cè),驗(yàn)證沿空掘巷效果,其中測(cè)站3 的觀測(cè)結(jié)果見圖8。
圖8 三號(hào)測(cè)站礦壓觀測(cè)結(jié)果
由圖8可以看出,巷道掘進(jìn)后10 d內(nèi)變形量比較大,為巷道劇烈變形期,此階段的底臌量為113 mm,頂板下沉量為36 mm,兩幫收斂達(dá)到180 mm。10 d之后,變形速率逐漸減低,到50d左右基本穩(wěn)定。
由于巷道底板未采取任何支護(hù)措施,巷道變形穩(wěn)定后底臌量相對(duì)較大,為206 mm,但對(duì)生產(chǎn)影響較小。巷道頂板穩(wěn)定,最終下沉不足50 mm,留巷支護(hù)取得了較好的效果。
頂板離層觀測(cè)表明,巷道離層值較小,淺部和深度未出現(xiàn)明顯下沉。
1)通過理論計(jì)算和數(shù)值模擬,確定騰暉礦2-105 工作面窄煤柱的最佳寬度為7 m。
2)以巷道表面位移為評(píng)價(jià)指標(biāo),以錨索長度、間排距等為關(guān)鍵因素,采用數(shù)值模擬的方法確定錨索長度為8.0 m,排距為0.9 m。
3)2-105 工作面沿空掘巷的礦壓觀測(cè)表明,巷道頂板穩(wěn)定,變形以底臌為主,最大底臌量為206 mm,無需臥底,滿足了生產(chǎn)要求,可為類似條件下窄煤柱護(hù)巷設(shè)計(jì)提供參考。