李 權(quán)
(晉能控股煤業(yè)集團長治公司,山西 長治 046000)
中能煤礦的煤柱寬度一般在20~30 m,由此會造成大量的煤炭資源損失[1]。為了解決煤柱資源浪費和壓力大問題,國內(nèi)很多學者對沿空掘巷理論和技術(shù)進行了研究[2-5],建立了煤柱尺寸計算方法。以中能煤礦2305 回風順槽小煤柱掘巷為背景,采用理論分析和數(shù)值模擬的方法,計算合理的小煤柱寬度,設(shè)計了支護方案,通過現(xiàn)場施工和礦壓觀測,驗證了所留設(shè)煤柱寬度的可行性和支護方案的有效性,為類似條件下小煤柱沿空掘巷工作提供參考借鑒。
中能煤礦開采煤層厚度5.0 m,平均埋深433 m,傾角5°左右。煤層頂板為泥巖和砂巖,底板為泥巖和各粒度砂巖。煤層厚度穩(wěn)定,結(jié)構(gòu)簡單。直接頂抗壓強度25 MPa,基本頂抗壓強度42 MPa。煤層頂?shù)装迩闆r見表1。
表1 煤層頂?shù)装迩闆r表
2305 工作面北鄰礦井邊界,西側(cè)為實體煤,東側(cè)為2303 采空區(qū)(2020 年8 月回采完畢),2305回風順槽1830 m,南連接三條采區(qū)大巷。兩個工作面均采用放頂煤走向長壁采煤法。2305 工作面回風順槽鄰近2303 工作面采空區(qū)布置,巷道尺寸5.6 m×3.8 m,沿煤層頂板布置。為提高回采率,計劃留小煤柱,工作面位置如圖1。
圖1 2305 工作面巷道布置平面圖
根據(jù)圍巖極限平衡理論,如圖2,計算如下:
圖2 小煤柱寬度計算
式中:X1為上區(qū)段空區(qū)邊緣塑性區(qū)域的寬度,由式(2)計算得出;X2為錨桿長度,取2.4 m;X3為煤柱的安全系數(shù),由0.2~0.3(X1+X2)得到。
式中:K為應(yīng)力集中系數(shù);M為煤層開采厚度;C為煤體的黏聚力;γ為上覆巖層平均體積力;φ為煤體的內(nèi)摩擦角。
其中,計算采用的力學參數(shù)見表2。
表2 計算采用的力學參數(shù)
代入式(2),得到X1=3.94 m;X3=1.27~1.90 m;L2的寬度范圍為7.61~8.24 m。
綜上,2305 工作面區(qū)段煤柱合理寬度取8 m。
分別模擬6 m、7 m、8 m、9 m 煤柱寬度的應(yīng)力分布和塑性變化規(guī)律,分析4 種條件下煤柱、巷道圍巖應(yīng)力特征和塑性區(qū)范圍。模擬結(jié)果如圖3~圖4。
圖3 不同寬度煤柱垂直應(yīng)力情況
圖4 不同寬度煤柱的塑性區(qū)分布
由圖3(a)~(d)可知,在煤柱中央存在彈性區(qū),并且隨著煤柱寬度增大,彈性區(qū)范圍增大,應(yīng)力峰點離采空區(qū)越遠,最大支承應(yīng)力在煤柱中心。當煤柱寬度6 m時峰值為23.78 MPa,集中系數(shù)2.23;7 m 煤柱時峰值為20.60 MPa,應(yīng)力集中系數(shù)1.89;8 m 煤柱時峰值為20.12 MPa,集中系數(shù)1.83;9 m煤柱時峰值為20.28 MPa,應(yīng)力集中系數(shù)1.92。
當煤柱寬度為6 m 時,塑性區(qū)占比61%,煤柱塑性破壞嚴重,穩(wěn)定性差;7 m 煤柱時,煤柱塑性區(qū)占比50%,煤柱支撐能力較弱;8 m 煤柱時,塑性區(qū)占比45%,煤柱彈性區(qū)占比55%,此時煤柱穩(wěn)定性較好;9 m 煤柱時,塑性區(qū)占比43%,彈性核區(qū)占比57%,煤柱穩(wěn)定性進一步改善,支撐能力強。
通過以上分析,煤柱大于8 m 時,煤柱已具有較好穩(wěn)定性,可以隔離采空區(qū)。
2305 回風順槽沿頂板掘進,煤柱寬度不宜小于8 m。2305 回風順槽為矩形斷面,寬5.6 m,高3.8 m,毛斷面積21.28 m2,設(shè)計掘進長度1700 m。
(1)頂板支護。頂板采用7 根Ф22 mm×2400 mm 螺紋鋼錨桿,間排距850 mm×900 mm,錨固劑采用1 支K2335 和1 支Z2360 樹脂藥卷,配合150 mm×150 mm×12 mm 拱形高強度托盤,錨桿扭矩300 N·m;頂錨桿采用H 鋼帶相連,長度5300 mm,寬度80 mm,經(jīng)緯金屬網(wǎng)5800 mm×1000 mm。頂錨索選用Ф21.8 mm×7300 mm 的鋼絞線錨索,每排2 根,間距2000 mm,距巷幫1800 mm;每排3 根的錨索間距為1500 mm,距巷幫1300 mm布置在巷道中部,錨索均垂直頂板,“3-2-3”式布置,每根錨索用1 支K2335 和2 支Z2360 樹脂藥卷錨固,使用300 mm×300 mm×16 mm 高強度托板及配套調(diào)心球墊,預緊力不小于300 kN。
(2)兩幫支護。采用MSGLW-400/22/2400 螺紋鋼錨桿,煤柱幫布置5 根,間排距850 mm×900 mm。采用1 支K2335 和1 支Z2360 樹脂藥卷錨固,錨桿扭矩300 N·m。煤柱幫上部第1 根錨桿上斜10°打設(shè),其余垂直打設(shè),采用菱形網(wǎng)護幫,連接采用搭接形式,搭接長度為100 mm,鋼筋托梁采用14#圓鋼焊制,規(guī)格為長3600 mm,寬80 mm。
為提高護巷小煤柱的穩(wěn)定性,煤柱側(cè)采用錨索補強支護,錨索采用Ф21.8 mm×4300 mm,1×19-1860 型鋼絞線錨索。錨索采用“1-1-1”布置,排距900 mm,一排距離頂板1300 mm,一排距離底板1300 mm,錨索與巷幫垂直。如圖5。
圖5 2305 回風順槽支護方案(mm)
由于煤柱尺寸較小,存在煤柱破碎導致采空區(qū)漏風的可能。在巷道掘進過程中,遇破碎段需配合注漿加固措施。首先對破碎煤壁進行常規(guī)支護,而后在煤壁表面噴50 mm 厚水泥漿材料,標號C20,待噴漿凝固后形成止?jié){砼。垂直煤壁距底板2 m 處(可根據(jù)煤壁破碎位置調(diào)整鉆孔高度)打設(shè)2 m 深鉆孔注水泥漿材料,鉆孔間距2 m。止?jié){砼可以有效避免漿液外滲,從而填補煤柱裂隙,并提高煤柱的承載力,控制煤柱變形破壞。注漿加固方案如圖5。
為驗證8 m 煤柱穩(wěn)定性,對2305 回風順槽掘進期間頂板離層和圍巖收縮進行了綜合觀測。巷道內(nèi)每隔50 m 安裝一個綜合觀測站,并采用“十字布點法”設(shè)置了巷道表面位移觀測站,一共設(shè)置34個測站。2305 回風順槽掘進期間頂板離層值為零,未發(fā)生離層。巷道頂?shù)装遄冃瘟孔畲鬄?2 mm,兩幫變形量最大為220 mm,同樣條件實體煤頂?shù)装搴蛢蓭妥畲笞冃瘟繛?6 mm 和78 mm。該巷道與實體煤巷道相比,頂?shù)装搴蛢蓭妥畲笞冃瘟糠謩e增加了135%和282%,表現(xiàn)出礦壓顯現(xiàn)劇烈,但整體變形不大,均在接受范圍,在兩幫變形中處于主導地位。在留設(shè)8 m 小煤柱配合合理支護的情況下,巷道圍巖穩(wěn)定性得到了有效控制,取得了良好的工程效果。
中能煤業(yè)開展3#煤層小煤柱留巷技術(shù)研究,項目實施后,工作面兩側(cè)煤柱尺寸由原來的25 m 減小到8 m 左右,縮小煤柱寬度17 m,采高取4.9 m,容重1.42 t/m3,工作面推進長度取1700 m,按0.93回采率計算,多回收19.5 萬t 煤炭,可提高經(jīng)濟效益4875 萬元,經(jīng)濟效益顯著。
(1)根據(jù)工作面頂板巖層運動特征和巖性特點,綜合分析小煤柱巷道圍巖的穩(wěn)定性。通過理論分析和數(shù)值模擬,分析不同煤柱寬度巷道圍巖應(yīng)力和塑性變化特點,確定了2305 回風順槽煤柱合理寬度為8 m。
(2)設(shè)計8 m 煤柱巷道的支護方案,巷道整體采用錨網(wǎng)進行支護,頂板采用長錨索和高強度錨桿加強支護,煤柱側(cè)采用短錨索配合W 鋼帶進行補強支護,破碎煤柱采用噴漿和注漿加固措施,并在現(xiàn)場進行了成功的應(yīng)用。
(3)施工后,通過礦壓監(jiān)測,小煤柱頂板未發(fā)生離層,巷道頂?shù)装遄冃瘟孔畲鬄?2 mm,兩幫收縮量最大220 mm,巷道變形量小,不影響正常使用,支護強度滿足安全使用要求,驗證了8 m 煤柱能夠保證其穩(wěn)定性。
(4)2305 工作面第一次采用8 m 煤柱掘進,多回收煤柱資源19.5 萬t,提高了采區(qū)回采率,為今后合理留設(shè)煤柱提供參考。