高 磊

(國家能源集團神東煤炭公司 大柳塔煤礦,陜西 神木 719315)

沿空掘巷無煤柱開采作為高效開采的一種典型形式,其基本原理是通過在上一工作面的采空區(qū)邊緣不留煤柱或留小煤柱掘進下一工作面的回采巷道,使其位于應力降低區(qū)內(nèi),同時可配合切頂卸壓技術(shù)破壞上覆厚硬巖層的完整性,切斷懸臂粱結(jié)構(gòu)及應力傳遞路徑,形成雙重保障,有效改善其巷道的圍巖應力環(huán)境,同時還可以達到隔絕采空區(qū)的目的。

國內(nèi)學者也針對沿空掘巷技術(shù)開展了諸多研究,韓承強等[1]通過礦壓監(jiān)測數(shù)據(jù)及數(shù)值計算分析了沿空掘巷條件下的煤柱破壞規(guī)律,認為煤柱寬度對塑性區(qū)破壞影響最大;黃萬朋等[2]通過理論分析提出小煤柱雙巷掘進新方法,并采用切頂卸壓配合高強度復合加固支護保護巷道圍巖穩(wěn)定,有效改善了采掘接替緊張的問題;孫殿宇[3]通過理論計算及數(shù)值模擬方法,確定了復雜條件下的側(cè)向應力降低區(qū)范圍和煤柱合理尺寸,并選擇將巷道布置在降低區(qū)內(nèi),改善了回采期間巷道圍巖變形量大的問題。綜合上述分析,小煤柱沿空掘巷技術(shù)在一定程度上具有可行性,但由于其煤體本身強度有限,均伴隨著不同程度的煤柱穩(wěn)定性差的問題[4]。因此,本文提出采用巷旁支護+切頂卸壓技術(shù),即通過柔模混凝土墻體的構(gòu)筑代替小煤柱,利用墻體具有的高強度特性可對頂板形成剛性支承,有效控制了頂板的回轉(zhuǎn)下沉量,從而提高了沿空掘巷的可行性,為深井開采創(chuàng)造了較好的經(jīng)濟社會效益。

1 工程概況

某礦52507工作面采用綜合機械化采煤,主采52煤層,工作面煤層厚6.8～7.62 m,平均厚7.3 m,屬厚煤層,煤層傾角1～3°,平均傾角2°,屬近水平煤層;工作面頂?shù)装逯?偽頂為0.45 m的泥巖,直接頂為3.11 m的粉砂巖,基本頂為15.39 m的細砂巖,直接底為4.23 m的粗砂巖,圍巖整體強度相對較高;工作面范圍內(nèi)無斷層、陷落柱等特殊地質(zhì)構(gòu)造,地質(zhì)構(gòu)造復雜程度屬簡單類型;工作面瓦斯日最大絕對涌出量為1.09 m3/min,屬低瓦斯礦井。52507工作面頂?shù)装迩闆r如表1所示。

表1 52507工作面頂?shù)装迩闆r

52507工作面位于52煤五盤區(qū),東側(cè)為五盤區(qū)井田邊界,西側(cè)為52煤主運大巷,南側(cè)為52506工作面采空區(qū),北側(cè)為52508工作面;52507工作面走向長度3 494.5 m,傾向長度300.7 m,共布置有3條回采巷道,均為矩形斷面,其中運輸巷巷寬6 m,巷高4.2 m,斷面積25.2 m2,全長3 660 m;回風巷巷寬5.8 m,巷高4.2 m,斷面積24.36 m2,全長3 657 m,切眼巷寬9.8 m,巷高5.1 m,斷面積49.98 m2,全長300 m,均采用錨網(wǎng)索聯(lián)合支護方式。52507工作面布置平面圖如圖1所示。

圖1 52507工作面布置平面圖

2 巷旁支護沿空掘巷應力分析

2.1 巷旁支護載荷分析

分離巖塊法[5]作為上覆巖層載荷計算方法,在宏觀上可對巷旁支護體所受載荷進行基本計算,其認為在巷道掘進時,巷旁支護體位于采空區(qū)與實體煤之間,上覆巖層于實體煤處以θ角度產(chǎn)生回轉(zhuǎn)下沉,而采空區(qū)一端由于垮落空間的存在,沿階梯狀形成自由面,其垮落煤巖體的自重即成為巷旁支護體結(jié)構(gòu)所受載荷,如圖2所示。

圖2 巷旁支護體承載力學模型

為基于分離巖塊法進行巷旁支護體所受載荷計算,作出如下基本假設:

1) 巖塊處于相對靜止且平衡的狀態(tài),兩側(cè)及頂部邊界無作用力存在;

2) 巖塊兩端的剪切角均為θ;

3) 巖塊為剛體,且力矩總和為零。

其載荷計算公式為:

(1)

式中:q為巷旁支護體載荷,kN/m;bB為留巷寬度,m;x為巷旁支護體的寬度,m;bc為支護體外側(cè)懸頂距,m;γB為巖塊容重,kN/m3;h為工作面采高,m;θ為巖層破壞剪切角,°.

將工作面相關(guān)參數(shù),巷旁支護體寬度1.6 m代入式(1)可得,巷旁支護體所受載荷q為7 120 kN/m,考慮巷旁支護體同時承受工作面回采、巷道掘進動壓影響及矸石側(cè)向推力,結(jié)合工作面埋深,取重復采動系數(shù)為2.3,故可知單位長度的巷旁支護體承受載荷為2.3q=7 120 kN/m2.

2.2 巷旁支護承載力分析

柔模混凝土墻體[6]是一種復合纖維做模板,混凝土充填的支撐結(jié)構(gòu)體,其柔性模板可內(nèi)置鋼筋錨栓用以控制橫向變形。在上覆巖層的重力作用下產(chǎn)生軸向壓力,而被約束的核心混凝土產(chǎn)生橫向擴容變形,使得錨栓產(chǎn)生拉伸變形,從而形成了作用于核心混凝土的橫向約束力,核心混凝土處于三向受壓應力狀態(tài)。其柔模墻體的承載能力計算公式為:

N2=0.9(fc+4σr)Acor

(2)

其內(nèi)置錨栓的橫向約束力為:

(3)

式中:N2為巷旁支護承載力,kN/m;σr為錨栓托盤產(chǎn)生的約束力,MPa;Acor為墻體斷面積,m2;fc為墻體抗壓強度,MPa;d為錨栓直徑,mm;σb為錨栓抗拉強度,MPa;a1、a2為間排距,mm.

根據(jù)工作面現(xiàn)有地質(zhì)條件及支護材料,柔模袋內(nèi)置橫向錨栓選用D22 mm×1 700 mm的螺紋鋼錨栓,間排距850 mm×800 mm,抗拉強度為490 MPa,將工作面相關(guān)參數(shù)及錨栓參數(shù)代入式(2)、式(3)中可知,單位長度柔?；炷翂w承載能力為26 365.4 kN/m2,結(jié)合前文所得承受載荷可知,安全系數(shù)為1.61,基本確定1.6 m寬度的柔模混凝土墻可形成有效支護。

3 沿空掘巷圍巖控制方案

3.1 巷旁支護體參數(shù)

根據(jù)巷旁支護體沿空掘巷空間位置,巷旁支護體在澆筑完成后,共需受到52507工作面超前支承壓力影響、滯后動壓影響、52508回風巷掘進動壓影響、回采動壓影響共4次。結(jié)合現(xiàn)階段工作面采掘計劃,初步確定在52507工作面回采前,超前工作面一定距離沿煤柱幫進行柔?；炷翂w澆筑,待工作面回采完成后,沿墻體另一側(cè)進行52508回風巷掘進,隨后進行52508工作面回采。

根據(jù)前文理論計算,初步確定巷旁支護體尺寸為長4 m(巷道軸向),寬1.6 m(巷道徑向),高4.2 m,澆筑墻體之后52507回風巷巷寬4.2 m,滿足回風使用要求。為了提高墻體接頂效果,模袋頂部增加200 mm預留量,即柔模袋尺寸確定為:長×寬×高=4 m×1.6 m×4.4 m.巷旁支護體參數(shù)如圖3所示。

圖3 巷旁支護體參數(shù)(單位:mm)

3.2 切頂卸壓關(guān)鍵參數(shù)

為進一步保證52508回風巷在掘進及回采時的巷道圍巖穩(wěn)定性,同時降低巷旁支護體所受載荷,提出采用切頂卸壓技術(shù),即通過爆破等方法在上覆巖層內(nèi)形成弱面,破壞上覆巖層的完整性及連續(xù)性,避免其成為傳力結(jié)構(gòu)的同時,防止在回風巷采空側(cè)頂板形成短懸臂粱結(jié)構(gòu)。以此達到對回風巷圍巖的雙重保護。

1) 切頂高度及角度。根據(jù)工作面上覆巖層賦存情況可知,基本頂為15.39 m厚的細砂巖層,其整體強度較高,且對上覆巖層的承載其關(guān)鍵控制作用,因此,確定切頂高度為破壞基本頂為準,即切頂垂直高度18.95 m.同時考慮上覆巖層最佳垮落角度為仰角75°,選擇切頂角度為朝向52507運輸巷方向仰角75°.

2) 鉆孔間距。根據(jù)深孔爆破理論[7]可知,根據(jù)距離爆破點中心的距離,依次分為壓碎區(qū)、裂隙區(qū)和震動區(qū)三部分,而壓碎區(qū)和裂隙區(qū)均對巖體產(chǎn)生實質(zhì)破壞,因此,可將裂隙區(qū)范圍作為切頂卸壓鉆孔間距。其裂隙區(qū)半徑計算公式為:

(4)

式中:σcd為抗壓強度,MPa;σtd為抗拉強度,MPa;ρ為藥卷密實度,kg/m3,D為應力波速,m/s;η為隔熱系數(shù);n為增壓系數(shù);μd為泊松比;l為藥孔比;K為不耦合系數(shù);r鉆孔半徑,取0.03 m.

將藥卷參數(shù)與相關(guān)地質(zhì)條件代入式(4)可得裂隙區(qū)半徑為2 m,因此鉆孔間距選取為4 m.鉆孔布置示意如圖4所示。

圖4 鉆孔布置示意

4 現(xiàn)場應用效果分析

4.1 52507工作面回采時墻體應力分析

為針對工作面回采時,超前支承壓力影響范圍內(nèi)的巷旁支護體穩(wěn)定性進行分析,選擇在工作面回采一定距離且動壓穩(wěn)定后讀取墻體應力監(jiān)測計數(shù)據(jù),并繪制如圖5所示。

圖5 墻體應力曲線圖

根據(jù)圖5墻體應力分析可知,墻體所受應力基本符合超前支承壓力分布規(guī)律,其應力峰值位于工作面前方9.9 m處,應力大小為11.7 MPa,而巷旁支護體強度可達20 MPa,安全系數(shù)達1.72,即表明巷旁支護體可在工作面回采過程中,均保持其穩(wěn)定性。

4.2 52507回風巷掘進時圍巖變形量分析

巷旁支護沿空掘巷的應用主要目的是為了保證52507回風巷位于低應力區(qū)的同時,還可以提升巷道圍巖穩(wěn)定性,降低圍巖變形量,因此,將位移監(jiān)測點布置于距巷道開口200 m處,以滯后掘進工作面距離為x軸,圍巖變形量為y軸,綜合分析現(xiàn)場應用效果。圍巖位移監(jiān)測量如圖6所示。

圖6 巷道圍巖變形量

由圖6可知,在52508回風巷掘進后,圍巖變形量呈先增加,后平穩(wěn)的趨勢,其中頂?shù)装逡平肯鄬^大,最大為64 mm,兩幫變形量相對較小,最大為53 mm,其圍巖變形量均屬于偏小范圍,且巷道斷面完整,由此可判斷沿空掘巷圍巖控制方案較為合理,有利于巷道圍巖穩(wěn)定性的提升。

5 結(jié) 語

1) 基于分離巖塊法,建立了沿空掘巷條件下的巷旁支護體承載計算力學模型,認為巷旁支護體主要承受巷道頂板區(qū)域內(nèi)的覆巖載荷,并理論確定了巷旁支護體所受載荷為16 376 kN/m2,同時給出了符合承載能力的柔?；炷翂w尺寸為寬1.6 m,高4.2 m;

2) 根據(jù)工程經(jīng)驗得出,采用切頂卸壓技術(shù)可進一步保證多重動壓下的回風巷圍巖及巷旁支護體穩(wěn)定性,并通過理論計算確定了切頂高度18.95 m,鉆孔間距4 m,角度75°時可達到卸壓效果;

3) 根據(jù)礦壓監(jiān)測數(shù)據(jù)分析得出,巷旁支護體內(nèi)的應力峰值位于其設計強度之下,墻體處于穩(wěn)定狀態(tài),同時回風巷掘進時,其巷道圍巖變形曲線呈先急后緩,隨后趨于穩(wěn)定的變化趨勢,并且變形量均較小,表明沿空掘巷圍巖控制方案可有效保證巷道圍巖的穩(wěn)定性。