王慧林,王文彬,王金國(guó),趙建兵,郭 慶,郝凱凱

(延安市禾草溝煤業(yè)有限公司,陜西 延安 717300)

巷道的穩(wěn)定性是保證礦井安全生產(chǎn)的關(guān)鍵因素,其中,回采巷道受到工作面采動(dòng)影響時(shí),如果支護(hù)強(qiáng)度過(guò)低,回采巷道將難以維護(hù),如果支護(hù)強(qiáng)度過(guò)高,將會(huì)造成支護(hù)成本提高[1]。另外,維護(hù)回采巷道的區(qū)段煤柱尺寸也是保證回采巷道穩(wěn)定的一個(gè)重要因素,當(dāng)區(qū)段煤柱尺寸過(guò)小時(shí),煤柱容易產(chǎn)生裂隙,回采巷道和采空區(qū)之間貫通,容易造成自然發(fā)火危險(xiǎn),回采巷道圍巖穩(wěn)定性受到影響[2];而區(qū)段煤柱尺寸過(guò)大時(shí),煤炭回采率降低,造成煤炭資源的浪費(fèi)。因此,本文以禾草溝煤礦50205工作面為研究對(duì)象,在確保巷道圍巖穩(wěn)定的條件下,確定一個(gè)合理的煤柱尺寸具有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

1 礦井地質(zhì)條件概況

禾草溝煤礦年產(chǎn)500萬(wàn)t,主采5#煤和3-2#煤。5#煤層為一結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的穩(wěn)定型中厚煤層,煤層厚度穩(wěn)定,平均厚度2.28 m,結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,傾角0～3°。地面標(biāo)高1 249.0～1 407.0 m,煤層底板標(biāo)高在1 005～1 025 m之間。煤層直接頂為泥質(zhì)粉砂巖,厚0.98 m,發(fā)育水平層理,泥質(zhì)膠結(jié),質(zhì)密,易風(fēng)化破碎；基本頂為油頁(yè)巖,厚11.17 m,灰黑色,薄層狀,水平層理,泥質(zhì)膠結(jié);煤層直接底為泥質(zhì)粉砂巖,厚9.41 m,深灰黑色,薄層狀,水平層理,易風(fēng)化破碎。5#煤50205工作面長(zhǎng)300.8 m,區(qū)段間煤柱留設(shè)20 m煤柱。

2 50205工作面回風(fēng)巷道支護(hù)方案評(píng)價(jià)

2.1 50205工作面回風(fēng)巷道支護(hù)參數(shù)

50205工作面回風(fēng)巷掘進(jìn)斷面為圓弧斷面,寬×高=5 000 mm×3 200 mm,巷道形狀和支護(hù)方式如圖1所示。

圖1 50205工作面回風(fēng)巷平、剖面圖

巷道采用錨(索)網(wǎng)配合鋼帶聯(lián)合支護(hù),頂部錨桿采用Φ20 mm×2 400 mm左旋無(wú)縱筋Ⅱ級(jí)螺紋鋼錨桿。錨桿使用一卷半MSCK2850樹(shù)脂藥卷,錨固力不低于105 kN,擰緊力矩不小于100 N·m；錨桿托板采用Q235鋼板,規(guī)格為長(zhǎng)×寬×厚=150 mm×150 mm×12 mm。副幫錨桿采用Φ20 mm×2 400 mm左旋無(wú)縱筋螺紋鋼錨桿,正幫采用全螺紋玻璃鋼錨桿。正幫網(wǎng)片采用抗拉強(qiáng)度不小于30 MPa的礦用雙抗塑料網(wǎng),搭接長(zhǎng)度不小于100 mm;頂板、副幫網(wǎng)片采用Φ6.5 mm鋼筋焊制,規(guī)格為長(zhǎng)×寬=1 800 mm×1 000 mm,網(wǎng)孔規(guī)格為100 mm×100 mm,搭接長(zhǎng)度不小于100 mm;錨索采用Φ21.6 mm×7 900 mm鋼絞線,錨索預(yù)應(yīng)力不小于280 kN,圓弧斷面兩邊錨索與頂板成75°夾角,矩形斷面錨索垂直頂板布置,巷中單根錨索與頂板垂直;錨索托板采用Q235鋼板,規(guī)格為長(zhǎng)×寬×厚=300 mm×300 mm×16 mm;W鋼帶采用兩種規(guī)格,分別為長(zhǎng)×寬×厚=2 400 mm×230 mm×5 mm和3 400 mm×230 mm×5 mm;錨固劑采用MSCK2850型。50205回風(fēng)巷支護(hù)參數(shù)如表1所示。

表1 50205回風(fēng)巷支護(hù)參數(shù)表

2.2 50205工作面回風(fēng)巷道支護(hù)方案評(píng)價(jià)

為了對(duì)50205工作面回風(fēng)巷道的支護(hù)方案進(jìn)行效果評(píng)價(jià),對(duì)50205工作面回風(fēng)巷道進(jìn)行了礦壓監(jiān)測(cè)。

2.2.1監(jiān)測(cè)方案

1)頂板和巷道副幫錨桿工作狀態(tài)監(jiān)測(cè)。分別在距工作面120 m、140 m和160 m處設(shè)置3個(gè)監(jiān)測(cè)斷面,每個(gè)監(jiān)測(cè)斷面安裝2個(gè)頂板錨桿測(cè)力計(jì)和1個(gè)副幫錨桿測(cè)力計(jì)。

2)頂板錨索工作狀態(tài)監(jiān)測(cè)。在距工作面100 m處設(shè)1個(gè)觀測(cè)斷面,頂板錨索安裝錨桿(索)測(cè)力計(jì),監(jiān)測(cè)錨索工作狀態(tài)。

3)頂板和巷幫深部位移監(jiān)測(cè)。在距工作面120 m、140 m和160 m處設(shè)置3個(gè)監(jiān)測(cè)斷面,頂板中部安裝1個(gè)DW-4型多點(diǎn)位移計(jì),分別監(jiān)測(cè)2 m、4 m、6 m和8 m的位移量。另，在距工作面120 m、140 m和160 m處設(shè)置3個(gè)監(jiān)測(cè)斷面,分別在巷道正幫和副幫中部各安裝1個(gè)DW-4型多點(diǎn)位移計(jì),分別監(jiān)測(cè)1.0 m、1.5 m、2.0 m和2.4 m的位移量。

2.2.2監(jiān)測(cè)結(jié)果

1)頂板和巷道副幫錨桿工作狀態(tài)監(jiān)測(cè)結(jié)果。圖2為距工作面120 m監(jiān)測(cè)斷面錨桿受力曲線圖,由圖2可知,1號(hào)錨桿最大受力30.0 kN,2號(hào)錨桿最大受力29.0 kN,3號(hào)錨桿最大受力32.0 kN。圖3為距工作面140 m監(jiān)測(cè)斷面錨桿受力曲線圖,由圖3可知,1號(hào)錨桿最大受力37.5 kN,2號(hào)錨桿最大受力35.6 kN,3號(hào)錨桿最大受力51.2 kN。圖4為距工作面160 m監(jiān)測(cè)斷面錨桿受力曲線圖,由圖4可知,1號(hào)錨桿最大受力36.5 kN,2號(hào)錨桿最大受力37.1 kN,3號(hào)錨桿最大受力35.4 kN。

圖2 距工作面120 m監(jiān)測(cè)斷面錨桿受力曲線圖

圖3 距工作面140 m監(jiān)測(cè)斷面錨桿受力曲線圖

圖4 距工作面160 m監(jiān)測(cè)斷面錨桿受力曲線圖

從以上監(jiān)測(cè)結(jié)果可以得出,在50205工作面采動(dòng)影響下,3個(gè)監(jiān)測(cè)斷面的錨桿受力均小于設(shè)計(jì)錨固力105 kN,且監(jiān)測(cè)錨桿最大受力為51.2 kN,約為設(shè)計(jì)錨固力的50%。

2)頂板錨索工作狀態(tài)監(jiān)測(cè)結(jié)果。在距工作面100 m處安裝了頂板錨索測(cè)力計(jì),測(cè)試結(jié)果如圖5所示。從監(jiān)測(cè)結(jié)果可以得出,在50205工作面采動(dòng)影響下,監(jiān)測(cè)斷面的2個(gè)錨索受力均小于設(shè)計(jì)錨固力250 kN,且監(jiān)測(cè)錨索最大受力為185 kN,為設(shè)計(jì)錨固力的74%。

圖5 距工作面100 m監(jiān)測(cè)斷面頂板錨索受力

3)頂板和巷幫深部位移監(jiān)測(cè)結(jié)果。通過(guò)對(duì)120 m、140 m和160 m監(jiān)測(cè)斷面進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)得出,頂板0～2 m內(nèi)發(fā)生最大位移6 mm,頂板2～4 m內(nèi)發(fā)生最大位移4 mm,頂板4～6 m和6～8 m內(nèi)均未發(fā)生位移,頂板最大下沉9 mm;正幫0～1.0 m發(fā)生最大位移4 mm,正幫1.0～1.5 m發(fā)生位移5 mm,正幫1.5～2.0 m和正幫2.0～2.4 m均未發(fā)生位移,正幫最大位移7 mm；副幫0～1.0 m發(fā)生最大位移3 mm,副幫1.0～1.5 m發(fā)生最大位移3 mm,副幫1.5～2.0 m和副幫2.0～2.4 m均未發(fā)生位移,副幫最大位移5 mm。

綜合以上監(jiān)測(cè)結(jié)果,頂板錨桿(索)和巷道副幫錨桿的錨固力均有較大富余量,且頂板最大位移量為9 mm,正幫最大位移量為7 mm,副幫最大位移量5 mm,圍巖移近量非常小,錨索受力為設(shè)計(jì)錨固力的74%?？傮w評(píng)價(jià)現(xiàn)支護(hù)設(shè)計(jì)強(qiáng)度過(guò)大,支護(hù)成本偏高,綜合考慮支護(hù)成本和支護(hù)效果,有進(jìn)一步縮小區(qū)段煤柱尺寸或調(diào)整支護(hù)強(qiáng)度的空間,達(dá)到優(yōu)化煤柱尺寸或優(yōu)化支護(hù)設(shè)計(jì)的目的。本著提高回采率的原則,決定采用縮小煤柱尺寸的方案。

3 區(qū)段煤柱合理尺寸的確定

3.1 護(hù)巷煤柱變形理論分析

對(duì)護(hù)巷煤柱穩(wěn)定性的研究考慮在一側(cè)巷道一側(cè)采面的前提下,如煤柱尺寸較大,則在煤柱中央的載荷為原巖應(yīng)力,且分布均勻[3]。而煤柱兩側(cè)從邊緣區(qū)向內(nèi)部依然分別為破裂區(qū)、塑性區(qū)、彈性區(qū)應(yīng)力升高部分和原巖應(yīng)力區(qū)[4]。煤柱內(nèi)的支承應(yīng)力分布與分區(qū)情況如圖6所示。

k1,k2—應(yīng)力集中系數(shù);γ—覆巖容重;H—煤層埋深

3.2 護(hù)巷煤柱合理尺寸數(shù)值模擬研究

3.2.1數(shù)值模型建立

本次模擬主要研究50205回采工作面回采巷道區(qū)段煤柱合理尺寸。建立三維模型的尺寸長(zhǎng)×寬×高=200.0 m×20.0 m×86.8 m?；夭上锏烂簬r層物理力學(xué)參數(shù)均按實(shí)驗(yàn)室煤巖樣測(cè)試結(jié)果和工程類比對(duì)模型進(jìn)行賦值。計(jì)算模型邊界載荷條件:考慮工作面在地層中所處最深處約400 m,地應(yīng)力邊界條件根據(jù)實(shí)際測(cè)量結(jié)果進(jìn)行施加,垂直應(yīng)力10.0 MPa,選用Mohr-Coulomb本構(gòu)模型。

數(shù)值模型建立后,對(duì)煤層和巷道進(jìn)行開(kāi)挖,開(kāi)挖高度2.28 m,并對(duì)巷道進(jìn)行支護(hù),區(qū)段煤柱寬度分別留設(shè)5 m、6 m、8 m、10 m、12 m、14 m、16 m、18 m和20 m,開(kāi)挖模型如圖7所示。

圖7 開(kāi)挖模型

3.2.2數(shù)值計(jì)算結(jié)果分析

1)不同尺寸煤柱條件下垂直應(yīng)力計(jì)算結(jié)果。圖8為不同煤柱尺寸下垂直應(yīng)力分布云圖。

(a)20 m煤柱垂直應(yīng)力

如圖8所示,留設(shè)16～20 m煤柱時(shí),側(cè)向支承壓力為15 MPa,壓力峰值位于煤柱上方,并偏向采空區(qū)一側(cè),側(cè)向支承壓力對(duì)巷道圍巖穩(wěn)定性無(wú)影響；當(dāng)留設(shè)10～14 m煤柱時(shí),側(cè)向支承壓力值不變,壓力峰值仍位于煤柱上方,但偏向巷道一側(cè),巷道右側(cè)(正幫)水平應(yīng)力升高,巷道圍巖穩(wěn)定性受到一定影響；當(dāng)留設(shè)8 m煤柱時(shí),側(cè)向支承壓力值不變,壓力峰值處于巷道正上方,此時(shí)側(cè)向支承壓力對(duì)巷道影響最大,不建議留設(shè)8 m煤柱；當(dāng)留設(shè)5～6 m煤柱時(shí),側(cè)向支承壓力值不變,壓力峰值偏向巷道左側(cè)(副幫),對(duì)巷道左側(cè)(副幫)穩(wěn)定性有一定影響,如果留設(shè)5～6 m煤柱,需要對(duì)采空區(qū)側(cè)煤層頂板進(jìn)行切頂卸壓。

2)不同尺寸煤柱條件下最大主應(yīng)力計(jì)算結(jié)果。圖9為不同煤柱尺寸下最大主應(yīng)力分布云圖。

(a)20 m煤柱最大主應(yīng)力

如圖9所示,當(dāng)留設(shè)16～20 m煤柱時(shí),最大主應(yīng)力為5.3 MPa,并位于采空區(qū)側(cè)煤柱內(nèi),表明最大主應(yīng)力對(duì)巷道無(wú)影響；當(dāng)留設(shè)10～14 m煤柱時(shí),最大主應(yīng)力為6.6～6.8 MPa,雖位于采空區(qū)側(cè)煤柱內(nèi),但巷道右側(cè)的最大主應(yīng)力值出現(xiàn)明顯的升高,此時(shí)巷道圍巖穩(wěn)定性受到一定的影響；當(dāng)留設(shè)5～8 m煤柱時(shí),此時(shí)煤柱所受最大主應(yīng)力為6.9～7.4 MPa,巷道圍巖受到嚴(yán)重的破壞。由最大主應(yīng)力分析結(jié)果得知:當(dāng)煤柱小于12 m以下時(shí),煤柱開(kāi)始出現(xiàn)明顯的破壞。

3)不同尺寸煤柱條件下巷道圍巖變形量計(jì)算結(jié)果。不同煤柱尺寸巷道頂板下沉量如圖10所示。不同煤柱尺寸巷道底板位移量如圖11所示。不同煤柱尺寸巷道左幫位移量如圖12所示。不同煤柱尺寸巷道右?guī)臀灰屏咳鐖D13所示。得出的模擬結(jié)果如表2所示。

圖10 不同煤柱尺寸巷道頂板下沉量

圖11 不同煤柱尺寸巷道底板位移量

圖12 不同煤柱尺寸巷道左幫位移量

圖13 不同煤柱尺寸巷道右?guī)臀灰屏?/p>

表2 不同煤柱尺寸對(duì)應(yīng)的巷道圍巖移近量

由表2分析得知,考慮到小煤柱容易被壓裂,導(dǎo)致采空區(qū)漏風(fēng)引起采空區(qū)自燃發(fā)火,不建議留設(shè)寬度小于6 m的煤柱;如果留設(shè)6～8 m尺寸的煤柱,必須對(duì)巷道進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)支護(hù),并采取切頂卸壓措施[5],這樣會(huì)影響采掘的速度;從圖10-圖13可知,留設(shè)小于14 m煤柱時(shí),巷道圍巖變形量開(kāi)始急劇增大,因此,留設(shè)寬度14 m煤柱時(shí)巷道圍巖變形量相對(duì)較小,從經(jīng)濟(jì)上和技術(shù)上都是比較合理的煤柱尺寸。

4 結(jié)論

1)采用監(jiān)測(cè)法對(duì)禾草溝煤礦50205回風(fēng)巷進(jìn)行了礦壓監(jiān)測(cè),測(cè)得在50205工作面采動(dòng)影響下,頂板錨桿(索)和巷道副幫錨桿的錨固力均有較大富余量,且巷道頂板和兩幫圍巖移近量非常小?？傮w評(píng)價(jià)現(xiàn)支護(hù)設(shè)計(jì)強(qiáng)度過(guò)大,支護(hù)成本偏高,綜合考慮支護(hù)成本和支護(hù)效果,有進(jìn)一步縮小區(qū)段煤柱尺寸或調(diào)整支護(hù)強(qiáng)度的空間。

2)通過(guò)理論分析和采用數(shù)值模擬方法,得出留設(shè)大于寬度14 m煤柱時(shí)巷道圍巖變形量相對(duì)較小,從經(jīng)濟(jì)上和技術(shù)上都是比較合理尺寸。