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        燕子山礦5208巷小煤柱沿空掘巷圍巖控制技術(shù)應(yīng)用

        2022-04-22 07:42:58
        山東煤炭科技 2022年3期
        關(guān)鍵詞:空掘巷鋼帶煤柱

        程 帥

        (晉能控股煤業(yè)集團(tuán)燕子山礦,山西 大同 037037)

        我國(guó)的能源結(jié)構(gòu)特征呈現(xiàn)富煤貧油少氣的局面。我國(guó)煤炭?jī)?chǔ)量居世界前列,受資源賦存影響,一直以來我國(guó)將煤炭作為主要消費(fèi)能源,且短期內(nèi)煤炭的主體消費(fèi)能源地位不會(huì)改變[1-2]。隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展,煤炭需求量不斷增加,賦存條件較好的煤炭資源逐漸開采殆盡。在以往工作面開采時(shí),相鄰工作面之間一般留設(shè)20~30 m的煤柱,造成了極大煤炭資源的浪費(fèi),為此國(guó)內(nèi)外專家學(xué)者提出了無煤柱開采技術(shù),目前已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用的有沿空掘巷和沿空留巷技術(shù)。其中,沿空掘巷是在鄰近上區(qū)段工作面采空區(qū)留設(shè)較窄的煤柱,新掘下區(qū)段工作面回采巷道,既可提高煤炭回收率,又將回采巷道布置在應(yīng)力降低區(qū)域,可以改善巷道圍巖維護(hù)環(huán)境[3-5]。

        1 工程概況

        燕子山礦5208巷服務(wù)于8208回采工作面,作為回采期間的回風(fēng)和輔助運(yùn)輸。工作面位于4#層302盤區(qū),西部為4#層可采邊界線,南部為4#層8206設(shè)計(jì)工作面,東部為4#層盤區(qū)巷,北部為8210采空區(qū),地面標(biāo)高1 335.4~1 430.5 m,井下標(biāo)高818~958 m。工作面開采山4#煤層,煤層結(jié)構(gòu)復(fù)雜,煤層厚度為5.12~9.34 m,煤層大致走向東西,傾向北,傾角為2°。煤層基本頂為高嶺巖、粗、細(xì)砂巖、礫巖,厚度5.80~30.72 m,平均厚度13.56 m;直接頂為中、細(xì)砂巖、高嶺巖、礫巖,厚度6.26~10.65 m,平均厚度8.80 m;直接底為高嶺巖,厚度3.93 m,灰色,膠結(jié)致密,性脆。為提高煤炭回收率,5208巷設(shè)計(jì)采用沿空掘巷技術(shù)。工作面北部為8210采空區(qū),屬于已采動(dòng)采空區(qū),為5208巷沿空掘巷提供了良好的掘巷時(shí)機(jī)。根據(jù)生產(chǎn)地質(zhì)條件和采掘設(shè)備安全需求,5208巷掘進(jìn)寬度5.0 m,掘進(jìn)高度3.5 m。

        2 小煤柱沿空掘巷圍巖控制技術(shù)

        小煤柱沿空掘巷是在鄰近上區(qū)段工作面采空區(qū)留設(shè)較窄的煤柱新掘下區(qū)段工作面回采巷道,鄰近上區(qū)段工作面推進(jìn)后,直接頂巖層冒落,基本頂巖層破斷,形成“O-X”結(jié)構(gòu)。隨著工作面推采,基本頂巖層周期性破斷,形成周期性“O-X”結(jié)構(gòu),同時(shí)在順槽后方形成弧形三角塊,弧形三角塊內(nèi)側(cè)可形成應(yīng)力降低區(qū)。沿空掘巷將下區(qū)段工作面回采巷道布置在該區(qū)域,在提高煤炭回收率的同時(shí),還可以改善巷道圍巖維護(hù)環(huán)境?;卷攷r層“O-X”結(jié)構(gòu)如圖1[6],沿空掘巷覆巖結(jié)構(gòu)如圖2。

        圖1 基本頂巖層“O-X”結(jié)構(gòu)

        圖2 沿空掘巷覆巖結(jié)構(gòu)

        (1)沿空掘巷煤柱寬度的確定

        沿空掘巷的關(guān)鍵參數(shù)之一是煤柱寬度。沿空巷道應(yīng)布置在弧形三角塊內(nèi)側(cè)形成的應(yīng)力降低區(qū),煤柱寬度X采用公式(1)計(jì)算[5]。

        式中:x1為鄰近上區(qū)段工作面開采使煤體產(chǎn)生的塑性區(qū)寬度,由公式(2)計(jì)算得到。公式(2)中,m、A分別表示采高、測(cè)壓系數(shù),φ0、C0分別表示煤體的內(nèi)摩擦角和內(nèi)聚力,K、H、γ、P分別表示應(yīng)力集中系數(shù)、埋深、覆巖容重以及支護(hù)阻力,經(jīng)計(jì)算x1=1.7 m。x2表示錨桿錨深,取2.0 m;x3表示安全儲(chǔ)備寬度,取1.2 m。

        綜上所述,經(jīng)計(jì)算煤柱寬度X=4.9 m,確定5208巷沿空掘巷留設(shè)5.0 m寬的煤柱。

        (2)小煤柱沿空掘巷支護(hù)參數(shù)

        5208巷支護(hù)形式為“錨桿+錨索+W鋼帶+JW鋼帶+金屬網(wǎng)”聯(lián)合支護(hù),如圖3。

        ① 頂板錨桿(索)布置方式:按1排錨桿、1排錨索交替布置。錨桿規(guī)格為Ф22 mm×2400 mm的左旋無縱筋螺紋錨桿,每排6根,間排距900 mm×1800 mm;錨索規(guī)格為Ф21.8 mm×6300 mm的預(yù)應(yīng)力鋼絞線,每排4根,間排距1000 mm×1800 mm。

        ② 兩幫錨桿(索)布置方式:左右兩幫支護(hù)布置4根錨桿或錨索,上3根錨桿、錨索按三花布置,即錨桿+錨索+錨桿與錨索+錨桿+錨索交替布置,下根全部為錨桿;護(hù)幫最上一根錨桿或錨索距頂板300 mm,下3根錨桿或錨索間距900 mm,最下一根錨桿距底板500 mm,排距全部為0.9 m。錨桿規(guī)格為Ф22 mm×2400 mm的左旋無縱筋螺紋錨桿,錨索規(guī)格為Ф21.8 mm×3200 mm的預(yù)應(yīng)力鋼絞線。

        ③ 角錨索布置方式:左右兩幫與頂板夾角上仰70°位置按間距1.8 m各布置1根Ф21.8 mm×6300 mm錨索,并與頂錨索布置對(duì)應(yīng)。

        ④頂板錨桿采用W鋼帶連接,規(guī)格4800 mm×280 mm×4 mm;頂板錨索采用JW鋼帶連接,規(guī)格3500 mm×330 mm×6 mm。

        ⑤ 錨桿采用蝶形、異形托盤,規(guī)格150 mm×150 mm×10 mm;錨索采用鋼板托盤,規(guī)格250 mm×250 mm×16 mm。

        ⑥ 頂、幫均鋪設(shè)8#鉛絲編織的菱形金屬網(wǎng),頂板金屬網(wǎng)規(guī)格5200 mm×1000 mm,幫部金屬網(wǎng)規(guī)格3300 mm×1000 mm。

        3 圍巖控制效果

        將設(shè)計(jì)的小煤柱沿空掘巷圍巖控制技術(shù)應(yīng)用于5208巷,采用十字測(cè)試法監(jiān)測(cè)巷道圍巖移近情況,圖4給出了5208巷圍巖表面移近曲線圖。

        圖4 5208巷圍巖表面移近曲線

        ①巷道圍巖變形主要發(fā)生在巷道掘進(jìn)0~56 d。該階段頂板累計(jì)移近70 mm,移近速度1.25 mm/d;底板累計(jì)移近81 mm,移近速度1.44 mm/d;工作面?zhèn)壤塾?jì)移近54 mm,移近速度0.96 mm/d;煤柱側(cè)累計(jì)移近59 mm,移近速度1.06 mm/d。

        ② 巷道掘出56~96 d之間圍巖變形速度降低。該階段頂板累計(jì)移近18 mm,移近速度0.44 mm/d;底板移近16 mm,移近速度0.40 mm/d;工作面?zhèn)壤塾?jì)變形11 mm,移近速度0.27 mm/d;煤柱側(cè)累計(jì)變形12 mm,移近速度0.31 mm/d。

        ③ 巷道掘出96 d后圍巖逐漸穩(wěn)定,移近速度趨于0 mm/d。此時(shí),頂板累計(jì)移近86 mm,底鼓累計(jì)移近99 mm,工作面?zhèn)壤塾?jì)移近66 mm,煤柱側(cè)累計(jì)移近71 mm。

        5208巷底板變形相對(duì)較大,煤柱側(cè)變形略大于工作面?zhèn)取?208巷圍巖變形均較小,證明了5208巷沿空掘巷圍巖控制技術(shù)的合理性和優(yōu)越性。

        4 結(jié)論

        小煤柱沿空掘巷提高煤炭回收率的同時(shí),還可以改善巷道圍巖維護(hù)環(huán)境,為此,依據(jù)燕子山礦5208巷生產(chǎn)地質(zhì)條件,確定5208巷采用小煤柱沿空掘巷技術(shù)。巷道沿8210采空區(qū)留設(shè)5.0 m寬煤柱掘巷,采用“錨桿+錨索+W鋼帶+JW鋼帶+金屬網(wǎng)”聯(lián)合支護(hù)形式。技術(shù)應(yīng)用后,巷道于掘進(jìn)96 d后圍巖逐漸穩(wěn)定,巷道圍巖變形均較小,證明了小煤柱沿空掘巷圍巖控制技術(shù)的合理性和優(yōu)越性。

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