王效勇，王發(fā)達，張貴銀

(1.山東華恒礦業(yè)有限公司, 山東新泰市 271200；2.山東科技大學礦業(yè)與安全工程學院, 山東青島市 266590)

三軟煤層往復式無煤柱開采技術

王效勇1，王發(fā)達1，張貴銀2

(1.山東華恒礦業(yè)有限公司, 山東新泰市 271200；2.山東科技大學礦業(yè)與安全工程學院, 山東青島市 266590)

永安煤礦主采煤層M7為三軟煤層，在生產過程中遇到了采掘接續(xù)失衡、軟巖支護困難等問題。為保證安全生產，運用理論分析、數值模擬和現場試驗等方法，對采區(qū)巷道布置進行了優(yōu)化，形成了適合三軟煤層條件的往復式采煤方法；確定了“高強度金屬粗尾讓壓錨桿+W鋼帶+金屬網+錨索”的軟巖巷道聯合支護方式；提出了一種“讓壓可縮巷旁充填留巷技術”，并確定了合理的巷旁充填體參數。

三軟煤層；往復式采煤方法；讓壓可縮充填；軟巖支護

建國以來,我國普遍推行長壁后退式采煤法,存在煤柱丟失嚴重、工作面搬家效率低等缺點。從國外情況來看,美國、前蘇聯、西德均采用往復式開采來減少綜采設備的搬遷[1]。往復式開采可以實現連續(xù)開采,節(jié)省大量的搬遷工作量,降低搬家費用,對于解決礦井生產接續(xù)緊張的問題作用明顯。目前,我國的綜采工作面多設在頂底板條件較好的緩傾斜近水平中厚煤層中,如果相鄰采區(qū)巷道均已掘出或已生產,只要對巷道稍加改進,就可實現區(qū)間往復式和區(qū)內往復式開采。

在我國的南部地區(qū),煤層地質條件復雜,存在相當多的三軟煤層,軟巖支護成為煤礦開采中的重中之重?；夭上锏啦捎脗鹘y(tǒng)支護方式,如工字鋼支架、U型鋼可縮支架支護時不僅在掘進期間圍巖變形劇烈,而且在服務期間需多次翻修,巷道維護極為困難。因此,尋求一種有效的支護方法具有重要意義。

1 工程概況

永安煤礦礦區(qū)南北方向凈長2.3 km,東西方向凈寬為1.3 km,面積2.9943 km2,開采深度2950～2400 m?？刹擅簩訛镸7,煤厚平均為1.45 m,傾角22.5°,煤質較軟,直接頂板為泥巖和泥質粉砂巖,厚度4.04m,直接底板為黑色泥巖,厚度1.6m,其煤層屬于三軟煤層。礦區(qū)北翼采區(qū)為本工程的試驗采區(qū),有3個工作面。

2 往復式采煤巷道布置

根據永安煤礦煤層賦存條件,若采區(qū)全部采用后退式回采,煤礦面臨的采掘壓力較大,巷道掘進工程量較大,尤其是三軟煤層的支護比較困難,同時區(qū)段之間需留設煤柱,煤炭資源浪費嚴重,不利于煤礦經濟效益的提升。若采區(qū)全部采用前進式回采,在采煤工作面生產的同時需在原回采巷道基礎上超前掘進一段距離,采掘干擾嚴重。采用往復式采煤方法則兼具上述2種方式的優(yōu)點,宜在礦區(qū)內推廣應用。

如圖1所示,在1703工作面采用前進式走向長壁法開采后,為緩解采掘接替緊張、工作面搬家困難的局面,在1704工作面采用后退式走向長壁開采,同時1705工作面開始掘進巷道,為下一區(qū)段的采煤做好準備。為解決往復式開采通風問題,專門開掘了一條邊界回風上山。在1703工作面開采后期,開始在1703運輸巷末端作切眼,當1703工作面開采完畢,工作面設備直接搬運至1704工作面開切眼,極大地提高了搬家效率,同時也減少了煤柱損失,提高了煤炭資源回收率。

圖1 北翼采區(qū)巷道布置

圖2 巷道斷面形狀及理想狀態(tài)下等效圓示意

3 回采巷道支護方案

錨桿支護屬于主動支護方式,可提高巷道支護效果,降低支護成本。根據國內外其他礦井的相關經驗,永安煤礦三軟煤層巷道確定采用錨桿并輔以錨索加強支護的聯合支護形式。

3.1 巷道支護參數計算

3.1.1 錨桿長度計算

采用圍巖松動圈理論,計算頂板及兩幫錨桿長度[2],圖2為巷道斷面形狀及理想狀態(tài)下等效圓示意圖。等效圓半徑[2]為:

式中:a——巷道兩幫間距,m；

h——巷高,m。

根據巷道斷面尺寸知:a＝2.4 m,h＝3.0 m,代入

式(1)可得,r＝1.81 m。

將梯形巷道轉化為等效圓后,其塑性區(qū)半徑或巷道開挖后圍巖塑性變形半徑R0[3]為:

式中:r——梯形巷道等效轉化后塑性區(qū)半徑,m；

P——試驗巷道地應力,MPa；

C——煤層粘聚力,MPa；

φ——煤層內摩擦角,(°)。

根據巷道監(jiān)測結果地應力取值15.0 MPa,煤層內摩擦角取值37°,煤層粘聚力取值2.38 MPa,可得R0＝2.53 m。

頂板塑性區(qū)范圍[3]為a1＝R0-h/2＝1.03 m,兩幫塑性區(qū)范圍為a2＝R0-a/2＝1.43 m。

頂錨桿長度為L頂＝a1+L0+H1。

式中,H1為錨桿錨固有效長度,m；L0為錨桿外露長度,m。

根據現場情況,取L0＝0.1 m,H1＝0.5 m,可得L頂＝1.63 m,考慮梯形斷面,頂錨桿長度可取2.0 m。同樣的,幫錨桿長度可得出L幫＝1.83 m,故幫錨桿長度可取2.0 m。

3.1.2 錨桿間排距計算

錨桿間距可根據擠壓加固拱理論得出:

式中:a0——錨桿間排距,m；

b——拱形帶范圍,m；

α——錨桿控制角,(°)；

L——錨桿支護有效長度,m。

將已知數據代入可知,錨桿間排距a0理論值為600 mm。

3.1.3 錨索支護參數

錨索長度研究類似錨桿,可用懸吊原理,其長度為:

式中:H1——堅硬巖層中的錨索長度,m；

H——軟巖的范圍或者直接頂厚度,m；

L2——錨索的外漏長度,m。

H1取0.5 m,L2取0.3 m,直接頂厚度取4.04 m,可得錨索長度L＝4.84 m,錨索長度可選5 m規(guī)格。

錨索安裝困難,不易密集錨入巖層,其間距可計算如下:

式中:a’——頂錨桿間排距,1 m；

P1——理想狀態(tài)下,錨索能承受的最大拉應

力,取230 kN；

k——碎脹系數,此處主要指直接頂,取0.6～

0.7；

f——砂質泥巖的普氏系數,根據實驗室結果

取4～5；

B——巷道寬度為2.4 m；

γ——上覆巖層的平均容重為20 kN/m3；

P2——理想狀態(tài)下,錨桿能承受的最大拉應

力,取55 kN；

α——近巷幫錨桿與巷道上邊夾角,75°。

代入數據可得,L0＝3.53 m,可取3.5 m。

以上計算得出的錨桿參數只是理論值,并不能直接用于現場支護,綜合巷道的支護成本與支護效果,應通過數值模擬和現場試驗等手段選擇最合理的支護方案。

3.2 巷道支護方案數值模擬

根據巷道支護參數的分析,設計了兩種巷道支護方案,方案一是普通螺紋錨桿+W型鋼帶+金屬網+錨索的聯合支護方式,方案二是高強度金屬粗尾讓壓錨桿+W型鋼帶+金屬網+錨索的聯合支護方式。其模擬效果如圖3、圖4、圖5所示。

圖3 回采期間頂板移近量變化云圖

圖4 回采期間兩幫移近量變化云圖

圖5 回采期間塑性區(qū)變化云圖

總體來看,巷道在回采期間,方案一巷道頂底板移近量約為500 mm,兩幫移近量為600 mm,方案二巷道頂底板移近量約為100 mm,兩幫移近量為200 mm,方案一的圍巖塑性區(qū)反為比方案二大,據此分析,最終選擇方案二對巷道進行支護,即“高強度金屬粗尾讓壓錨桿+W型鋼帶+金屬網+錨索”的聯合支護方法。

4 沿空留巷巷旁支護設計

4.1 讓壓可縮巷旁充填結構模型

所謂讓壓可縮巷旁充填,主要是巷旁充填體具有一定的變形量,受上覆巖層作用產生壓縮變形,使其能夠在覆巖巖層彎曲下沉過程中起到讓壓、隔絕采空區(qū)作用。如圖6所示。

圖6 讓壓可縮巷旁充填留巷

4.2 充填體參數確定

4.2.1 充填體寬度

根據礦壓控制理論[4],巷道充填體應處于內應力場內,故充填體寬度[5]為

1703工作面各參數取值如下:采深H＝343.5 m,γ＝1.45 kN/m3,Hg＝10.8 m,Kmax＝1～2,取1.7,Ci＝15 m,σ＝0.22 MPa,h＝1.6 m,。將以上數據代入式(6),得S0＝1.76 m,現行的沿空留巷中充填體墻的寬度一般取采高的0.9倍,以1703面為例,采高1.6 m,則充填體墻寬度應為1.5 m,與所得內應力場范圍作對比,可知充填體寬度1.5 m＜1.76 m滿足要求。

4.2.2 柔性充填體高度

沿空留巷要求充填體材料在經濟可靠地原則下強度盡可能的小(強度與成本一般成正比關系),因此充填體的工作狀態(tài)應為“給定變形”[4],充填體最理想的狀態(tài)為僅支承巷道范圍內直接頂的重量；而上覆巖層的重量由采空區(qū)破碎巖石與采空側煤體共同支承。

由力學平衡式,可令老頂斷裂與采空區(qū)矸石剛接觸時充填體的壓縮量為Δh1,在上覆巖層作用下,矸石壓實,此時充填體的壓縮量[5]為Δh2,則柔性充填體高度:

根據生產情況得知le＝5.2 m,代入上式得hr＝0.45 m,即柔性充填體高度為0.45 m。

4.2.3 留巷方案

設計采用木垛+混凝土塊的留巷充填方案,根據前面對于充填體結構參數和可變形體高度的研究,得到混凝土塊高度1.15m,寬度1.5m,木垛高度0.45 m,寬度1.5 m。本方案中混凝土塊的尺寸為1.5 m×1.5 m×1.15 m,混凝土塊在地面用模具提前預制成型,通過輔助運輸手段運送至井下工作面,強度高,成本低,同時混凝土塊與木垛的組合達到了留巷的各項經濟技術指標[6]。

5 結 論

運用理論分析、力學分析、數值模擬、現場試驗等方法對永安煤礦“三軟煤層”往復式采煤方法進行了深入研究,得到了以下主要結論:

(1)根據永安煤礦煤層地質條件,提出了往復式采煤方法,并對永安煤礦的巷道布置進行了優(yōu)化設計,為往復式開采提供了必要條件。

(2)通過理論分析,確定了軟巖回采巷道采用“高強度金屬粗尾讓壓錨桿+W型鋼帶+金屬網+讓壓免張拉預應力錨索”聯合支護方案。

(3)提出了一種新型無煤柱開采模式——讓壓可縮巷旁充填留巷技術,確定了永安煤礦沿空留巷剛性充填體寬度1.5 m,高度1.15 m,柔性充填體高度0.45 m。

[1]楊本生,梁 苗,趙明洲.往復式開采技術的應用實踐[J].煤炭工程,2009.

[2]李桂臣,張 農.高地應力巷道斷面形狀優(yōu)化數值模擬研究[J].中國礦業(yè)大學學報,2010(9).

[3]張 川.軟弱特厚煤層綜放回采巷道支護技術研究及應用[D].青島:山東科技大學.2011.

[4]宋振騏.實用礦山壓力與控制[M].北京:中國礦業(yè)大學出版社,1988.

[5]文志杰.無煤柱沿空留巷控制力學模型及關鍵技術研究[D].青島:山東科技學.2011.

[6]魏勝利.三軟煤層復采工作面無煤柱沿空掘巷支護技術[J].煤炭科學技術,2010(12):33-35.

[7]王 勇.“三軟”傾斜煤層沿空留巷巷旁支護技術研究[D].重慶:重慶大學.2012.

2015-03-08)

張貴銀(1989-)，男，山東菏澤人，碩士研究生，Email:zgy890627＠163.com。