窄煤柱沿空巷道合理宽度及支护技术研究

窄煤柱沿空巷道合理宽度及支护技术研究

　　摘　要:无煤柱或窄煤柱沿空掘巷技术能够提高煤炭回采率ꎬ改善巷道维护ꎬ降低巷道返修率ꎬ实现安全生产ꎮ通过理论计算ꎬ确定东怀煤矿３Ｉ０１进风巷护巷窄煤柱宽度为５ｍꎬ同时ꎬ通过布置“锚索＋锚杆＋钢带＋钢筋网”的综合支护技术ꎬ保证了工作面回采期间的巷道稳定性ꎮ

关键词:窄煤柱ꎻ支护技术ꎻ回采ꎻ巷道稳定

中图分类号:Ｆ４０６.３ꎻＴＤ８２２.３　　文献标志码:Ｂ　　文章编号:１００８－０１５５(２０１９)１０－０１１９－０２柏建彪等人通过理论分析与数值模拟得出沿空掘巷窄煤柱内存在零位移点ꎬ软煤的煤柱宽度对零水平位移点影响较大ꎬ而中硬煤对其影响不大ꎬ对于软煤必须加强支护使窄煤柱支承应力增大ꎬ如果支护应力不足容易造成巷道失稳难以维护[１]ꎮ杨科等人认为ꎬ窄煤柱的宽度应小于回采工作面内应力向窄煤柱转移的宽度ꎬ当窄煤柱宽度由小变大时ꎬ巷道内煤体的支承应力从实体煤帮向窄煤柱上转移ꎬ容易使中等宽度煤柱承受较大的支承应力[２]ꎮ钱鸣高等认为ꎬ采完的巷道上覆岩层垮塌在靠近煤帮处形成地应力区ꎬ在该地应力区布置巷道ꎬ支护体所受应力较小ꎬ将沿空巷道布置在该地应力区容易支护ꎬ通过理论分析了

巷道老顶的断裂位置处ꎬ确定沿空掘巷的位置[３]ꎮ韩承强等人用现场实测的方法求取了工作面老顶的侧向断裂位置ꎬ并确定沿空巷道的合理位置[４]ꎮ

１工程概况

广西百色市矿务局东怀煤矿设计生产能力１.５０Ｍｔ/ａꎬ工作面回采过程中沿用３５ｍ~４０ｍ的宽煤柱进行护巷ꎬ造成大量的宽煤柱无法回收ꎬ煤炭资源浪费严重ꎮ为了提高采出率ꎬ实现该矿的安全高效生产ꎬ在该矿３Ｉ０１回采工作面进风巷试验窄煤柱护巷ꎮ３Ｉ０１工作面煤层赋存情况如表１ꎬ顶底板岩性如表２ꎮ

三采区地表标高平均２２５ｍꎬ拟布置窄煤柱的３Ｉ０１回采工作面进风巷平均标高２５ｍꎮ

表１　Ｉ煤层情况描述表

表２　煤层顶底板情况描述表

２窄煤柱宽度确定

２.１东怀煤矿３Ｉ０１工作面老顶断裂位置计算相关研究表明ꎬ直接顶断裂后ꎬ老顶由于空顶距离大从而断裂在岩层的弹性与塑性交界处ꎬ破断后的老顶向采空区下沉ꎮ老顶断裂位置距上区段采空区侧煤体的距离可以用下式计算[５]:

式中:ｍ－工作面采高ꎬｍꎻ

Ｋ－集中应力比例ꎻ

γ－岩层平均应力ꎬＭＮ/ｍ３ꎻＨ－工作面埋深ꎬｍꎻ

　　收稿日期:２０１９－０５－０８

　　作者简介:马平原(１９８７－)ꎬ男ꎬ工程师ꎬ现在六盘水市应急管理局工作ꎮ

１１９

ｐｚ－沿空巷道煤帮支护力ꎬＭＰａꎻＡ－测压系数ꎻ

φ０－煤体内摩擦角ꎬ°ꎻＣ０－煤体内聚力ꎬＭＰａꎮ

东怀煤矿的实测资料显示ꎬｍ＝３ｍꎬφ０＝２０°ꎬＨ＝２００ｍꎬｐｚ＝０ꎬＡ＝１.５ꎬＫ＝３ꎬＣ０＝３ＭＰａꎬγ＝０.０２５ＭＮ/ｍ３ꎮ得出:

　　　＝５.８ｍ

所以ꎬ拟布置３Ｉ０１工作面窄煤柱宽度在５ｍ左右ꎬ处于应力降低区ꎬ便于巷道支护与后期维护ꎮ

２.２３Ｉ０１工作面煤柱宽度计算

由摩尔－库伦准则可以得出ꎬ煤柱的合理宽度为:

Ｂ＝Ｚ１＋Ｚ２＋Ｚ３

式中:Ｚ１－应用摩尔－库伦破坏准则得出屈服区

宽度ꎬｍꎻ

Ｚ２－窄煤柱帮锚杆的有效长度ꎬｍꎮ

就东怀煤矿来说ꎬＺ１＝１.７ｍꎬＺ２＝２.３ｍꎬＺ３＝１.４ｍꎬ３Ｉ０１进风巷的合理护巷窄煤柱宽度为Ｂ＝

１.７ｍ＋２.３ｍ＋１.４ｍ＝５.４ｍꎬ所以３Ｉ０１工作面进风巷的窄煤柱护巷宽度为５ｍꎮ

３现场工业性试验

３.１３Ｉ０１工作面进风巷支护布置

通过ＹＴＪ２０型岩层探测记录仪对３Ｉ０１回采工作面断面顶板和顶板岩层进行窥视ꎬ从而设置合理的支护参数ꎬ得到以下结果:

３Ｉ０１工作面进风巷窄煤柱顶板在０.５ｍ~１.５ｍ出现了少量裂纹ꎬ在２.５ｍ~３.５ｍ岩层中出现了较多裂隙ꎬ且裂纹较大ꎬ在５ｍ~６ｍ以上的岩层相对比较完整ꎮ

由窥视仪得到的数据分析ꎬ锚固时要先利用锚杆的局部锚固能力将顶板破碎带锚固成承载能力相对较高的整体ꎬ然后将整个锚固体用长锚索打入岩层内部完整的岩石中ꎬ利用相对完整岩石强度大的特点强力悬吊起锚杆锚固的浅部相对破碎锚固体[６]ꎮ通过窥视数据得到距离３ｍ~４ｍ出现破碎裂隙岩层以及５ｍ~６ｍ处存在稳定岩层的情况下ꎬ锚索设置长度应>６ｍꎬ由于直接顶厚度５.４ｍꎬ因此将锚索长度设定为７ｍꎮ

为加强锚固ꎬ同时保证回采岩层稳定ꎬ在３Ｉ０１回采工作面进风巷实行“锚索＋锚杆＋钢带＋钢筋网”的综合支护ꎬ支护参数如表３ꎮ

表３　３Ｉ０１工作面进风巷加强支护方案的支护参数

３.２支护效果检验

沿巷道走向在６个断面安设监测点ꎬ观测回采过程中顶底板位移量ꎬ在巷道顶板安装两个顶板观测仪ꎬ测量巷道顶板的离层量ꎮ得到以下结果:

在回采过程中距离观测点越近ꎬ变形量越大ꎬ顶底板最大变形量约５００ｍｍꎬ巷道两帮变形３００ｍｍꎬ巷道顶板的离层量最大约１０ｍｍꎬ满足施工需要ꎬ能够正常回采ꎮ

４结论

(１)通过理论计算ꎬ确定３Ｉ０１工作面进风巷留设５ｍ的护巷煤柱ꎬ使巷道处于老顶断裂形成的应力降低区ꎬ小煤柱上受力较小ꎬ通过支护能够满足回采需要ꎮ

(２)通过该进风巷实行“锚索＋锚杆＋钢带＋钢筋网”的综合支护ꎬ回采期间变形小ꎬ能够正常回采ꎮ

(３)东怀煤矿３Ｉ０１工作面小煤柱护巷试验的１２０

成功ꎬ提高了采区的回采率ꎬ确保了矿井的持续、均衡发展ꎮ

参考文献:

[１]柏建彪ꎬ侯朝炯.沿空掘巷窄煤柱稳定性数值模拟研究[Ｊ].岩石力学与工程学报ꎬ２００４ꎬ(２０):３４７５－３４７９.

[２]杨科ꎬ等.煤柱宽度对巷道围岩稳定性影响分析[Ｊ].地下空间与工程学报ꎬ２００９ꎬ(５):９９１－９９５.

[３]钱鸣高ꎬ等.矿山压力与岩层控制[Ｍ].徐州:中国矿业大学出版社ꎬ２０１０.

[４]韩承强ꎬ等.区段小煤柱破坏规律及合理尺寸研究[Ｊ].采矿与安全工程学报ꎬ２００７ꎬ(３):３７０－３７３.

[５]毛久海ꎬ等.综放沿空巷道围岩控制及其支护技术研究[Ｄ].西安:西安科技大学ꎬ２００８.

[６]马平原.东怀煤矿沿空掘巷小煤柱合理宽度及支护技术研究[Ｄ].湘潭:湖南科技大学ꎬ２０１４.

(责任编辑:陈文明)