閆騰騰

(山西焦煤集團(tuán)有限責(zé)任公司, 山西 太原 030024)

井工開采煤礦的回采巷道常采用留設(shè)煤柱護(hù)巷的方法進(jìn)行維護(hù),不但降低了煤炭回收率,且留設(shè)的煤柱會(huì)形成新的應(yīng)力分布,影響煤柱周圍的巷道[1]. 如何在保證安全的基礎(chǔ)上最大限度地實(shí)現(xiàn)資源回采一直是煤炭行業(yè)研究的重點(diǎn)。沿空留巷技術(shù)是在工作面回采過程中,通過有效的巷內(nèi)加強(qiáng)支護(hù)和巷旁墻體留設(shè)等方法將原巷道保留下來的方法[2],不僅提高了煤炭資源回收率,減少了應(yīng)力集中影響,還可實(shí)現(xiàn)工作面Y型通風(fēng),降低工作面瓦斯含量。

西曲礦作為已開采多年的老礦井,生產(chǎn)系統(tǒng)和地質(zhì)情況復(fù)雜,傳統(tǒng)的巷道布置方式已不能滿足采掘接替的需要。該礦4#煤層和2#煤層層間距3.5～12 m,根據(jù)開采實(shí)踐,2#煤工作面區(qū)段煤柱形成的應(yīng)力集中對(duì)4#煤的開采影響較大,需要采用沿空留巷技術(shù)保證正常生產(chǎn)銜接并提高資源回收率。因此,在該礦14305工作面皮帶巷開展近距離煤層群采空區(qū)下高水材料沿空留巷技術(shù)研究。

1 工程概況

14305工作面傾斜長200 m,可采走向長480 m,井下位于南三盤區(qū)和北一盤區(qū)交界處,工作面上覆12316、12303、22108三個(gè)2#煤采空區(qū),層間距4.5～10 m. 西部為14301、14302采空區(qū),受各空間采空區(qū)及煤柱影響,工作面圍巖應(yīng)力不穩(wěn)定,施工范圍內(nèi)圍巖節(jié)理,裂隙發(fā)育。工作面蓋山厚度170～248 m,平均厚度約210 m,地表村莊建筑物已拆遷。14305工作面位于12316工作面采空區(qū)下方,12315軌道巷與12316皮帶巷之間區(qū)段煤柱為20 m,12315工作面暫未開采,待12315工作面回采完畢頂板活動(dòng)穩(wěn)定后在12315工作面采空區(qū)下方掘進(jìn)14305皮帶巷(正巷),14305工作面皮帶巷沿空留巷,將來作為14304工作面軌道巷(副巷)使用。工作面示意圖見圖1,工作面綜合柱狀圖見圖2.

圖1 14305工作面示意

圖2 14305工作面地質(zhì)柱狀圖

2 沿空留巷技術(shù)關(guān)鍵及圍巖控制難點(diǎn)

2.1 沿空留巷技術(shù)關(guān)鍵

沿空留巷在服務(wù)周期內(nèi)將經(jīng)歷實(shí)體煤掘巷階段、工作面采動(dòng)應(yīng)力擾動(dòng)階段、工作面后方應(yīng)力穩(wěn)定階段、相鄰下區(qū)段工作面采動(dòng)應(yīng)力擾動(dòng)階段,工程上將經(jīng)歷相鄰兩個(gè)工作面的采動(dòng)影響,巷內(nèi)支護(hù)的強(qiáng)度、剛度影響支承應(yīng)力演化過程中圍巖抵抗變形的能力。因此,合理的巷內(nèi)支護(hù)技術(shù)和參數(shù)為沿空留巷穩(wěn)定性提供了技術(shù)保障。

錨索支護(hù)屬于高強(qiáng)主動(dòng)支護(hù),具有強(qiáng)化圍巖強(qiáng)度的能力,合理的巷內(nèi)錨索支護(hù)技術(shù)方案可使圍巖形成整體承載的錨固體,可將錨固體固結(jié)在較深部穩(wěn)定的巖層當(dāng)中,提高破碎圍巖錨固體的承載和抗變形能力,顯著提高沿空留巷圍巖的承載能力和抗變形能力。

2.2 近距離煤層群采空區(qū)下沿空留巷圍巖控制難點(diǎn)

結(jié)合西曲礦14305工作面生產(chǎn)地質(zhì)條件,沿空留巷方案的主要圍巖控制難點(diǎn)是軟弱破碎頂板控制難度大。近距離煤層群采空區(qū)下沿空留巷巷道上方為軟弱破碎砂質(zhì)泥巖,且受上煤層采動(dòng)損傷,軟弱破碎頂板控制難度大。需要對(duì)近距離煤層群采空區(qū)下沿空留巷巷內(nèi)圍巖控制技術(shù)進(jìn)行分析,提出合理有效的支護(hù)參數(shù),才能滿足巷道使用要求。

3 近距離煤層群采空區(qū)下沿空留巷巷內(nèi)支護(hù)技術(shù)

3.1 14305工作面皮帶巷支護(hù)參數(shù)的確定思路

1) 結(jié)合14305工作面的地質(zhì)力學(xué)特征,采用FLAC3D數(shù)值計(jì)算軟件建立數(shù)值分析模型,根據(jù)14305工作面皮帶巷的生產(chǎn)地質(zhì)條件,綜合考慮各方面的因素,建立平面應(yīng)變數(shù)值計(jì)算模型,模型高度確定為69.9 m,模擬14305工作面長度100 m. 模擬計(jì)算實(shí)體煤掘巷期間、回采留巷期間14305皮帶巷圍巖的支承應(yīng)力分布規(guī)律,確定14305皮帶巷服務(wù)期內(nèi)圍巖的支承應(yīng)力場(chǎng)。

2) 基于圍壓對(duì)煤巖材料彈性抗壓強(qiáng)度和殘余抗壓強(qiáng)度的強(qiáng)化作用規(guī)律,提出采用全錨索支護(hù)提高14305皮帶巷圍巖圍壓的支護(hù)技術(shù),即淺部圍巖采用短錨索替代以往的錨桿,頂板深部圍巖采用長錨索進(jìn)行加強(qiáng)支護(hù)。使錨固區(qū)內(nèi)的圍巖處于三向承載受力狀態(tài),借助于建立的數(shù)值分析模型,研究錨索預(yù)緊力、錨索長度、錨索間排距等對(duì)巷道圍巖錨固區(qū)內(nèi)支護(hù)壓應(yīng)力的作用規(guī)律。

3) 依據(jù)錨索支護(hù)對(duì)14305皮帶巷圍巖圍壓的作用規(guī)律,結(jié)合14305皮帶巷服務(wù)期內(nèi)圍巖的支承應(yīng)力場(chǎng)分布規(guī)律,選擇合適的錨索材質(zhì)、錨索直徑等參數(shù)。采用控制變量的方法,分別模擬計(jì)算錨索長度、錨索排距、頂錨索間距、幫錨索間距對(duì)巷道圍巖變形的影響規(guī)律[3],確定合理的錨索支護(hù)參數(shù)。

4) 基于合理的14305皮帶巷圍巖錨桿支護(hù)參數(shù),結(jié)合已有的留巷工程實(shí)踐,提出14305皮帶巷留巷階段的巷道加固方案,借助建立的數(shù)值分析模型,模擬計(jì)算不同的“錨索支護(hù)方案+留巷加固方案”下膠運(yùn)巷的圍巖變形情況[4],對(duì)比分析各個(gè)方案對(duì)該巷道圍巖變形破壞的控制效果,確定較為合理的留巷加固方案。

5) 確定14305皮帶巷掘巷時(shí)期的“錨索支護(hù)參數(shù)”和留巷階段的“留巷加固方案”,從而確定14305皮帶巷沿空留巷的巷內(nèi)支護(hù)技術(shù)。

3.2 14305皮帶巷頂板支承應(yīng)力演化規(guī)律

1) 掘巷時(shí)期。圍巖支承應(yīng)力分布見圖3. 支承應(yīng)力集中區(qū)主要分布在14305皮帶巷兩幫,最大可達(dá)6.5 MPa. 頂板1 m深處的支承應(yīng)力近似呈軸對(duì)稱分布,對(duì)稱軸穿越巷道斷面的中心,正上方為支承應(yīng)力降低區(qū),兩頂角出現(xiàn)支承應(yīng)力升高區(qū)。

圖3 掘巷時(shí)期圍巖支承應(yīng)力分布

2) 留巷時(shí)期。緊隨14305工作面,在其后方14305采空區(qū)開展沿空留巷,留巷穩(wěn)定后的圍巖支承應(yīng)力分布見圖4. 沿空留巷整體位于弧形三角塊結(jié)構(gòu)的下方,處于較低的應(yīng)力區(qū)域,此類條件下,支承應(yīng)力主要集中在未采煤側(cè)頂板和幫部,與掘巷時(shí)期的圍巖支承應(yīng)力分布區(qū)別較大。充填體內(nèi)核區(qū)支承應(yīng)力穩(wěn)定在9 MPa,可以實(shí)現(xiàn)充填體對(duì)頂板的支撐作用。

圖4 留巷穩(wěn)定期間圍巖支承應(yīng)力分布

3.3 錨索支護(hù)強(qiáng)化14305皮帶巷圍巖強(qiáng)度機(jī)理

1) 短錨索預(yù)緊力對(duì)淺部圍巖壓應(yīng)力場(chǎng)的作用。

固定短錨桿長度為2.6 m(外露0.2 m),分別取錨索預(yù)緊力為50 kN、100 kN、150 kN、200 kN時(shí)的圍巖支護(hù)壓應(yīng)力場(chǎng)為分析對(duì)象,見圖5. 單根短錨索支護(hù)作用下,頂板、幫部淺部圍巖產(chǎn)生了壓應(yīng)力場(chǎng),壓應(yīng)力大小隨短錨索預(yù)緊力的增加呈增加趨勢(shì),壓應(yīng)力區(qū)范圍呈增加趨勢(shì),且當(dāng)短錨索預(yù)緊力達(dá)到150 kN時(shí),最大壓應(yīng)力大小持續(xù)增加,但壓應(yīng)力作用范圍增幅明顯減小,小于短錨索預(yù)緊力從100 kN增加到150 kN的壓應(yīng)力區(qū)范圍增加值?；诖?短錨索預(yù)緊力不應(yīng)小于150 kN.

圖5 短錨索預(yù)緊力對(duì)淺部圍巖圍壓的強(qiáng)化作用

2) 短錨索長度對(duì)淺部圍巖壓應(yīng)力場(chǎng)的作用。

固定短錨索預(yù)緊力為150 kN,分別取短錨索長度為2.2 m、2.4 m、2.6 m、2.8 m(外露均為0.2 m)時(shí)的圍巖支護(hù)壓應(yīng)力場(chǎng)為分析對(duì)象,見圖6. 隨著短錨索長度的增加,單根短錨索作用下淺部圍巖支護(hù)壓應(yīng)力峰值緩慢增加到0.42 MPa,壓應(yīng)力區(qū)范圍沿著短錨索軸向逐漸向深部圍巖擴(kuò)展,沿短錨索橫向的影響范圍基本不變?？紤]14305皮帶巷頂板和煤層受上煤層工作面開采損失影響,圍巖較為破碎,確定短錨索支護(hù)長度為2.6 m,后續(xù)可以用高強(qiáng)長錨索擴(kuò)展壓應(yīng)力作用范圍。

圖6 短錨索長度對(duì)淺部圍巖圍壓的強(qiáng)化作用

3) 短錨索間排距對(duì)淺部圍巖壓應(yīng)力場(chǎng)的作用。

在頂板和幫部安裝3根短錨索,固定短錨索長度為2.6 m,工作阻力為60 kN,分別取短錨索間排距為800 mm、1 000 mm、1 200 mm和1 400 mm時(shí)的圍巖支護(hù)應(yīng)力場(chǎng)為分析對(duì)象,見圖7. 隨著短錨索間距的增加,相鄰短錨索的支護(hù)壓應(yīng)力場(chǎng)從高應(yīng)力疊加狀態(tài)向低壓應(yīng)力疊加狀態(tài)轉(zhuǎn)化,短錨索自由端區(qū)域壓應(yīng)力由貫通向分離轉(zhuǎn)變,拐點(diǎn)在間排距為1 000 mm,貫通的最大壓應(yīng)力從0.15 MPa減小到0.08 MPa. 考慮當(dāng)短錨索間排距超過1 000 mm時(shí),短錨索之間的壓應(yīng)力較小,因此短錨索間排距應(yīng)小于1 000 mm;而當(dāng)短錨索間排距為800～1 000 mm時(shí),短錨索產(chǎn)生的支護(hù)壓應(yīng)力場(chǎng)貫通性較好,短錨索自由段所在區(qū)域出現(xiàn)了較為完整的貫通性壓應(yīng)力場(chǎng),考慮工人勞動(dòng)強(qiáng)度和支護(hù)成本,此類地質(zhì)條件下合理的短錨索支護(hù)間排距為800～1 000 mm.

圖7 短錨索間排距對(duì)淺部圍巖圍壓的強(qiáng)化作用

4) 頂板長錨索對(duì)淺部圍巖壓應(yīng)力場(chǎng)的作用。

依據(jù)14305工作面煤層綜合鉆孔柱狀圖,14305皮帶巷存在4.42 m厚的砂質(zhì)泥巖和4.58 m的細(xì)粒砂巖。為了發(fā)揮長錨索對(duì)淺部圍巖圍壓的強(qiáng)化作用,結(jié)合經(jīng)濟(jì)成本,確定采用直徑為21.8 mm、長度為6.2 m的鋼絞線錨索對(duì)頂板加強(qiáng)支護(hù)。錨索初始工作載荷可達(dá)250 kN,具有增阻速度快的特點(diǎn),該方案固定錨索工作載荷為250 kN,短錨索的間排距為1 000 mm,考慮到巷道寬度4.4 m、錨索托盤尺寸和施工因素,分別取長錨索間排距為1 000 mm(一排2根)、1 500 mm(一排2根)、2 000 mm(一排2根)、2 500 mm(一排2根)時(shí)的頂板圍巖支護(hù)壓應(yīng)力場(chǎng)為分析對(duì)象,見圖8. 隨著長錨索間排距的增加,頂板圍巖支護(hù)壓應(yīng)力作用范圍呈逐漸增加的變化規(guī)律,且長錨索高工作載荷作用下產(chǎn)生的壓應(yīng)力顯著高于錨索低工作載荷下的壓應(yīng)力大小,淺部圍巖較高的壓應(yīng)力區(qū)從貫通狀態(tài)逐漸向分離狀態(tài)演化,高壓應(yīng)力區(qū)范圍(0.2 MPa)逐漸減小,當(dāng)長錨索間排距超過2 000 mm時(shí),長錨索產(chǎn)生的淺部圍巖壓應(yīng)力核區(qū)逐漸分離,疊加區(qū)內(nèi)的壓應(yīng)力較小。因此長錨索的間排距應(yīng)小于2 000 mm,考慮經(jīng)濟(jì)成本和工作效率,長錨索的間排距應(yīng)大于1 000 mm,可根據(jù)后期現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際的留巷變形情況做適當(dāng)?shù)恼{(diào)整?；诖?合理的長錨索間排距為1 000～2 000 mm.

圖8 長錨索間排距對(duì)淺部圍巖圍壓的強(qiáng)化作用

基于以上分析,保證14305皮帶巷圍巖錨索支護(hù)壓應(yīng)力貫通、具有一定強(qiáng)度的有效短錨索間距為800～1 100 mm,工作阻力應(yīng)大于150 kN,短錨索長度應(yīng)大于2.6 m. 采用直徑為21.8 mm、長度為6.2 m的高強(qiáng)錨索,對(duì)頂板加強(qiáng)支護(hù)的工作載荷為250 kN時(shí),保證頂板高強(qiáng)長錨索支護(hù)壓應(yīng)力貫通、具有一定強(qiáng)度的有效頂板高強(qiáng)長錨索間排距為1 000～2 000 mm.

4 14305工作面皮帶巷沿空留巷巷內(nèi)支護(hù)方案

14305皮帶巷沿空留巷巷內(nèi)支護(hù)技術(shù)采用短錨索配合高強(qiáng)長錨索加固技術(shù)控制圍巖。

短錨索支護(hù)參數(shù):頂板短錨索采用φ17.8 mm×2 600 mm的預(yù)應(yīng)力鋼絞線,間排距1 000 mm×1 000 mm,預(yù)緊力不小于150 kN. 短錨索采用M型鋼帶聯(lián)結(jié)為一體,鋼帶長4.2 m,寬300 mm. 掛設(shè)六角編織金屬網(wǎng)護(hù)表。幫部短錨索采用φ17.8 mm×2 600 mm的預(yù)應(yīng)力鋼絞線,間排距1 000 mm×1 000 mm,短錨索采用M型鋼帶聯(lián)結(jié)為一體,鋼帶長2.4 m,寬300 mm. 掛設(shè)六角編織金屬網(wǎng)護(hù)表。

新型高強(qiáng)長錨索加強(qiáng)支護(hù)參數(shù):頂板長錨索采用φ21.8 mm×6 200 mm的預(yù)應(yīng)力鋼絞線錨索加強(qiáng)支護(hù),間排距為2 000 mm×2 000 mm,預(yù)緊力不小于250 kN.

5 實(shí)施效果

為了觀測(cè)14305工作面皮帶巷在留巷期間的圍巖活動(dòng)規(guī)律,驗(yàn)證沿空留巷支護(hù)參數(shù)的合理性,在沿空留巷過程中設(shè)置相應(yīng)的測(cè)站,通過對(duì)頂板離層儀的日常監(jiān)測(cè)(與工作面距離表示在工作面后方),對(duì)沿空留巷圍巖活動(dòng)規(guī)律進(jìn)行了觀測(cè),得到頂板離層量與工作面距離的關(guān)系,見圖9.

圖9 巷道頂板離層值曲線

由圖9可知,在工作面后方0 m至工作面后方40 m范圍內(nèi),圍巖應(yīng)力重新調(diào)整,頂板離層較大;在工作面后方40 m以外,應(yīng)力調(diào)整重新達(dá)到平衡,頂板離層基本保持不變,進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)。淺基點(diǎn)最大離層值為41 mm,深基點(diǎn)最大離層值為19 mm,巷道頂板離層值相對(duì)較小。錨索支護(hù)系統(tǒng)對(duì)頂板的控制效果良好,錨固區(qū)內(nèi)沒有發(fā)生失穩(wěn)性離層。

6 結(jié) 語

通過理論研究并利用FLAC3D數(shù)值模擬軟件,分析研究了錨索預(yù)緊力、長度、間排距對(duì)近距離煤層群采空區(qū)下巷道支護(hù)的影響和規(guī)律,結(jié)合已有的工程實(shí)踐,確定了合理的支護(hù)方案,并通過礦壓觀測(cè)手段驗(yàn)證了支護(hù)的有效性和科學(xué)性。該方案保證了施工和回采的安全性,并有效提高了資源回收率。