近距離殘采煤柱下巷道合理支護技術研究

李景鋒

(山西煤炭運銷集團 金達煤業有限公司,山西 呂梁 032300)

煤炭是寶貴的不可再生資源[1],20世紀,因開采技術及裝備的落后[2],大量優質資源采用房柱式采煤法開采[3],造成優質資源的極大浪費[4],近距離優質煤層隨機開采,在近距離煤層中形成大量舊空區-煤柱結構[5]。近年來,因技術裝備的不斷進步,使得對近距離優質煤炭資源回收開采成為可能[6],隨著資源的枯竭,近距離煤層資源量大的客觀條件,使得對近距離區采煤進行復采勢在必行[7]。但我國面臨近距離煤層舊空區煤柱下開采的難題,煤柱下巷道支護的問題已成為我國學者研究的重點課題[8]。

孔德中等學者[9]通過數值模擬的方法對極近距離煤層回采巷道合理布置位置進行研究,研究表明巷道主要破壞原因為上覆煤層施加的不對稱應力,并確定巷道的合理布置位置。陳蘇社等學者[10]通過數值模擬及現場實測的方法對不同寬度的區段煤柱下巷道合理布置問題進行研究,并確定不同寬度區段煤柱時巷道的合理布置位置。

很多學者對區段煤柱下巷道的穩定性進行研究,但對于極近距離煤層舊空區-小煤柱群下巷道的穩定性及合理支護方式卻鮮有研究,本文通過理論計算、工程類比及FLAC數值模擬的研究方法對極近距離煤層開采時,下覆煤層巷道的合理支護方式進行研究。

1 工程概況

山西煤炭運銷集團金達煤業有限公司位于山西省呂梁市,主要可采煤層為10#、11#煤層,屬于極近距離煤層,層間距平均為6.9 m,10#煤為小煤窯破壞區,埋深為213 m,11#煤層為綜采煤層,如圖1、圖2所示,分別為10#煤層內舊空區-小煤柱群示意圖和工作面回采示意圖。舊空區寬度為5 m,煤柱寬度為5 m～15 m。

圖1 舊空區-走向小煤柱群示意圖Fig.1 Diagram of old goaf-small coal pillar group

圖2 工作面回采示意圖Fig.2 Diagram of working face mining

2 數值模擬

2.1 模型建立

根據柳灣煤礦11#煤層綜合柱狀圖建立數值模擬模型長×寬×高=244 m×150 m×100 m,模型共劃分617 085個節點,582 480個單元格,為準確模擬巷道塑性區發展規律,巷道周圍網格進行加密處理,因10#煤舊空區煤柱寬度越大,對下覆煤層開采影響越強烈,因此,本次數值模擬只模擬舊空區煤柱為15 m的情況,以此來確定近距離煤層開采巷道的合理支護參數。模型四周及底部固支,頂部施加5.6 MPa原巖應力。數值模擬模型如圖3所示，表1為模擬參數表。

圖3 數值模擬模型Fig.3 Numerical simulation model

巖石彈性模量/GPa泊松比抗拉強度/MPa抗壓強度/MPa內聚力/MPa內摩擦角/(°)煤層15.70.271.252.342.630K2灰巖16.40.222.543.574.131K3灰巖16.70.212.183.144.534泥巖22.20.232.824.615.324砂巖25.70.257.69.2510.131砂頁巖11.330.312.314.513.7230頁巖12.300.322.345.244.1730黑色泥巖20.40.242.614.224.8627

2.2 數值模擬方案

根據懸吊理論經驗公式計算錨桿索長度及間排距,結合工程類比法,共提出16個巷道支護方案,根據工作面的地質力學條件,采用工程類比、理論分析,結合數值模擬排除不合理的支護方案,最終選定以下六個方案作為數值模擬的對比方案,如表2所示,其中方案一為礦上現采用方案,巷道長×寬=4 m×3 m。

表2 數值模擬方案表Table 2 Numerical simulation plan

2.3 模擬結果分析

圖4所示為各方案巷道圍巖塑性區云圖,監測位置為工作面進入煤柱后,工作面前方30 m處塑性區云圖。

圖4 各方案巷道圍巖塑性區云圖Fig.4 Plastic zone nephogram of roadway surrounding rock in different plans

回采巷道采用方案一進行支護時,工作面前方30 m處巷道頂板破壞深度為4 m,底板破壞深度為1 m,兩幫破壞深度為4.5 m,超過錨桿錨固范圍,上覆空區煤柱下方破壞深度為4 m,與巷道頂板塑性區貫通,說明該支護方案無法滿足安全生產要求;回采巷道采用方案二進行支護時,工作面前方30 m處巷道頂板破壞深度為1 m,底板破壞深度為1 m,兩幫破壞深度為1 m,上覆空區煤柱下方破壞深度為4 m,局部破壞延伸到7.5 m,煤柱塑性區發生貫通,錨索懸吊區巖石整體垮落,說明該支護方案無法滿足安全生產要求;回采巷道采用方案三進行支護時,工作面前方30 m處巷道頂板破壞深度為0.5 m,底板破壞深度為1 m,兩幫破壞深度為1 m,上覆空區煤柱下方破壞深度為4 m,局部破壞延伸到6 m,煤柱塑性區發生貫通,錨索懸吊區巖石整體垮落,說明該支護方案無法滿足安全生產要求;回采巷道采用方案四進行支護時,工作面前方30 m處巷道頂板破壞深度為0.5 m,底板破壞深度為1 m,兩幫破壞深度為1 m,上覆空區煤柱下方破壞深度為0 m,錨索懸吊區巖層整體穩定性較好,說明該支護方案能夠滿足安全生產要求;回采巷道采用方案五進行支護時,工作面前方30 m處巷道頂板破壞深度為1 m,底板破壞深度為1 m,兩幫破壞深度為2.5 m,超過錨桿錨固范圍,上覆空區煤柱下方破壞深度為4 m,局部破壞延伸到7.5 m,煤柱塑性區發生貫通,錨索懸吊區巖石整體垮落,說明該支護方案無法滿足安全生產要求;回采巷道采用方案六進行支護時,工作面前方30 m處巷道頂板破壞深度為0.5 m,底板破壞深度為1 m,兩幫破壞深度為1.5 m,上覆空區煤柱下方破壞深度為4 m,局部破壞延伸到7.5 m,煤柱塑性區發生貫通,錨索懸吊區巖石整體垮落,說明該支護方案無法滿足安全生產要求。

圖5為工作面進入煤柱后工作面前方30 m處巷道頂底板及兩幫幫移近量曲線，由圖可知，巷道采用方案四支護時，其頂底板移近量最小僅為37.65 mm，兩幫移近量最小為48.57 mm，而采用方案一時，巷道頂底板移近量最大為143.29 mm，兩幫移近量最大為168.25 mm。與其他方案相比，巷道采用方案四支護時，能夠保證巷道在回采期間的安全使用。

圖6為巷道支護方案圖。經過工程實際應用，巷道采用以下方案支護時，巷道穩定性較好，工作面進入煤柱后，工作面前方頂底板最大移近量為31 mm，兩幫最大移近量僅為38 mm，與數值模擬結果接近，說明巷道穩定性較好，能夠滿足安全生產需求。

圖5 巷道變形曲線Fig.5 Deformation curves of roadways

圖6 巷道支護方案圖Fig.6 Supporting plan of roadway

3 結論

通過理論計算及工程類比確定6個數值模擬支護方案。通過數值模擬計算比較分析,最終確定巷道的合理支護方案為錨桿:Φ22 mm×2 200 mm的螺紋鋼錨桿,間排距為頂800 mm×800 mm,幫950 mm×800 mm,錨索Φ18.9 mm×6 300 mm的鋼絞線,間排距為1 600 mm×1 600 mm。通過對所設計支護方案進行現場應用,并對巷道圍巖變形量進行現場測試,頂底板最大移近量為31 mm,兩幫最大移近量為38 mm,與數值模擬結果相近,巷道支護效果良好。

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