綜放工作面沿空留巷圍巖控制技術研究

楊 丁

(山西焦煤西山煤電集團有限責任公司 屯蘭煤礦,山西 古交 030200)

我國采煤工作面絕大部分采用U型通風方式,因而上隅角瓦斯易積聚,導致瓦斯超限。另外,目前我國仍然采用大煤柱護巷的方法,造成了煤炭資源浪費,尤其是厚煤層開采的礦井煤炭資源損失更大。因此,上隅角瓦斯超限與大煤柱護巷已成為制約礦井高產高效的關鍵,而沿空留巷技術可徹底解決上述問題。采煤工作面沿空留巷時,因開采而引起上覆頂板巖層大范圍的劇烈活動,使得沿空留巷圍巖穩定性控制的難度很大,難以保證巷道安全穩定。不少專家學者對沿空留巷的頂板活動規律[1-4]、巷道變形特征以及支護技術[5-7]、充填體的構建[8-10]等進行了大量的研究,但沿空留巷的穩定性以及充填體的構建仍是一個亟待研究的難題。因此,以常村煤礦S5-11工作面沿空留巷為工程背景,采用理論分析、數值模擬等方法,研究其覆巖破壞特征,給出留巷圍巖控制關鍵技術,實現沿空留巷在常村煤礦的成功應用。

1 工作面概況

常村煤礦S5-11工作面位于3#煤層,煤層平均厚度約為6.1 m,煤層傾角0°～6°,S5-11綜放面煤層埋藏深度為423 m～470 m,平均埋深約450 m,采高為3 m,工作面長度為247 m。為減少厚煤層開采的區段煤柱損失,提出沿空留巷無煤柱開采技術,在S5-11工作面皮帶運輸巷內構筑充填體,沿空留巷實施后作為S5-10工作面軌道運輸巷,不再留設煤柱以及掘進軌道運輸巷,實現厚煤層工作面無煤柱開采,S5-11工作面位置示意圖見圖1。

圖1 S5-11工作面位置示意圖Fig.1 S5-11 working face location

2 綜放面沿空留巷覆巖破壞特征

隨著采煤工作面的不斷回采,工作面頂板會形成“O-X”破斷,破斷的頂板以實體煤幫一側為支點,向采空區側旋轉下沉,直至觸矸后形成新的平衡狀態(見圖2),此時在巷道附近采空區側會形成一個低應力區,為沿空留巷創造條件。當采空區有充填體支承時(見圖3),在充填體的作用下,巷道頂板下沉量減小,頂板離層現象減弱,甚至直接頂與基本頂之間出現離層現象。因此頂板和煤幫支護及充填體所提供的支護阻力大小將是沿空留巷是否成功的關鍵因素。

3 充填體穩定性研究

為了確定充填體的合理參數,采用FLAC3D數值模擬軟件模擬充填體寬度為1.2 m、1.6 m和2.0 m以及充填體強度為10 MPa、20 MPa和30 MPa時充填體的穩定性。模型傾向長247 m,走向長100 m,高度為100 m,煤層厚為6.1 m,煤層底板位于模型z=40 m處,模型四周邊界限定水平方向位移,模型底部限定豎直方向位移,模型頂部施加等于覆巖重力的均布載荷8.75 MPa,模型見圖4。

圖2 綜放面覆巖破壞結構特征Fig.2 Failure features of overlying strata in fully-mechanized mining face

圖3 綜放沿空留巷覆巖破壞結構特征Fig.3 Failure features of overlying strata in gob-side entry retaining in fully-mechanized mining face

圖4 數值計算模型Fig.4 Numerical simulation model

3.1 充填體寬度模擬結果

當巷旁充填體寬度不大于1.2 m時,巷旁充填體承載能力較小,無法阻止頂板下沉,綜放沿空留巷圍巖變形量較大;當巷旁充填體寬度不小于1.6 m時,沿空留巷頂煤(板)下沉量顯著縮小,隨著巷旁充填體寬度的進一步變大,巷旁充填體及頂板的下沉量縮小,但減小的幅度趨緩,并且在巷旁充填體寬度擴展的同時,巷旁充填體承載能力顯著增強。

3.2 充填體強度模擬結果

當充填體強度為10 MPa時,巷旁充填體在頂板劇烈活動后很快失穩;當充填體強度為20 MPa時,巷旁充填體變形量較大,沿空留巷圍巖基本穩定;當充填體強度為30 MPa時,巷旁充填體是穩定的,整體圍巖控制效果較好。

由數值模擬的結果可得,在保證充填體穩定的前提下,充填的寬度為1.6 m,抗壓強度應為30 MPa。

4 沿空留巷圍巖控制關鍵技術

沿空留巷的成功與否取決于頂板上覆巖層的活動規律,通過對巷道頂板巖層的結構分析,將巷道布置在應力較低的環境中,并采取有效的圍巖控制措施,將巷道的圍巖變形控制在合理范圍內,保證巷道在有效使用期限內的安全穩定。

4.1 巷道的支護方式

沿空留巷基本支護采用高預應力高強錨桿、錨索協調支護的控制方法,部分錨桿傾斜安裝,增加錨桿、錨索之間的聯接,實現幫頂底同控的控制對策,部分應力較大地段,及時用單體支柱進行支護。

4.2 留巷支護時空控制對策

隨著工作面回采工作的進行,沿空留巷在不同時間以及不同位置受到的應力大小也不盡相同。一般來說,受到工作面回采支承壓力的影響,沿空留巷支護一般可以分為四個部分,分別為超前影響區域、端頭影響區域、滯后應力影響區域以及無動壓影響區域,四個部分區域隨工作面的開采而不斷變化位置。根據不同的礦壓顯現規律,及時補打錨桿、錨索加固巷道以及充填區域頂板,支設單體支柱控制工作面動壓影響區域等。

4.3 巷旁充填體控制對策

巷旁充填體的強度以及構筑的速度是沿空留巷成功的關鍵之一。首先,充填體的構筑速度要快,避免巷道在充填體支撐之前出現較大變形,影響巷道的正常使用;其次,充填體強度要高,可以有效支承頂板,尤其是充填體的早期強度要高,否則時間太長有可能對巷道穩定性造成影響。

5 留巷圍巖控制方案及效果分析

5.1 沿空留巷支護設計

1)巷內支護設計。S5-11皮順采用高預應力錨桿+雙鋼筋托梁+金屬經緯網+錨索聯合支護方式,錨桿規格為Φ22 mm×2 400 mm,頂錨桿間排距為860 mm×1 000 mm,每排6根,靠近巷幫的2根錨桿傾斜25°安裝;幫錨桿間排距為750 mm×1 000 mm,每排5根,靠近頂底板的2根錨桿傾斜15°安裝;錨索長度為8 300 mm,間排距為2 400 mm×1 000 mm,布置方式為“2-1-2-1”。錨桿采用兩支超快樹脂錨固劑,規格為MSCK2350,預緊扭矩為300 N·m。錨桿配件為三明治墊圈、讓壓管、螺母、拱型托盤,托盤規格為150 mm×150 mm×12 mm托盤。錨索采用3支MSZ2350樹脂藥卷錨固;錨索托盤采用300 mm×300 mm×16 mm高強度可調心托盤,預緊力為300 kN。

2)巷旁支護設計。在構筑充填體之前,先對充填體上方區域鋪設金屬網,垂直頂板安裝錨桿,間排距為800 mm×600 mm。充填體寬度為1.6 m,強度可以達到30 MPa。

3)臨時加強支護設計。超前區域:工作面前方40 m采用單體支柱配合鉸接頂梁進行加強支護,采用1梁2柱的布置方式,棚距1.0 m,柱距1.0 m。端頭區域:端頭臨時加強支護采用單體支柱配護頂Π型梁邁步抬棚支護,在工作面端頭用單體支設兩排Π型梁,邁步前進,梁長3 m。滯后區域:在工作面后方120 m范圍內打設單體液壓支柱進行加強支護。留設一排單體液壓支柱,排距為1 000 mm,距實體煤幫為2.6 m。

4)采空區擋矸設計。為了降低綜采放頂煤開采對充填體上方的頂煤完整性的影響,在工作面端頭共保留6 m寬不放頂煤,并在液壓支架后方的采空區及時打設一排密集支柱。

5.2 留巷效果

將沿空留巷圍巖控制方案在常村煤礦S5-11皮帶運輸巷進行應用,現場實踐表明,巷道兩幫最大移近量為430 mm,頂底板最大移近量為570 mm,充填體變形量為50 mm～70 mm,巷道斷面尺寸基本滿足生產要求,實現了沿空留巷在綜放面的成功應用,留巷效果較好。

6 結束語

1)分析了綜放面沿空留巷覆巖破壞特征,得到了沿空留巷成功應用的關鍵因素。采用FLAC3D數值模擬的方法模擬充填體穩定性的影響因素,得到充填體的合理寬度與強度為1.6 m和30 MPa。

2)通過對沿空留巷頂板破斷特征的研究,分析了巷道圍巖控制關鍵技術,給出了巷道高強錨桿、錨索協調支護、幫頂底同控以及巷道支護時空控制對策,并得出了充填體的施工速度與強度對留巷的穩定性影響較大。

3)根據沿空留巷圍巖控制對策,對留巷圍巖控制方案進行設計。現場應用表明,巷道兩幫最大移近量為430 mm,頂底板最大移近量為570 mm,充填體變形量為50 mm～70 mm,巷道斷面尺寸基本滿足生產要求,留巷效果較好。