高瓦斯矿井煤柱内沿空掘巷围岩稳定性分析

苏 海

(1.中国矿业大学(北京)资源与安全工程学院,北京市海淀区,100083; 2.山西潞安集团余吾煤业有限责任公司,山西省长治市,046103)

高瓦斯矿井煤柱内沿空掘巷围岩稳定性分析

苏 海

(1.中国矿业大学(北京)资源与安全工程学院,北京市海淀区,100083; 2.山西潞安集团余吾煤业有限责任公司,山西省长治市,046103)

高瓦斯厚煤层综放工作面通常采用双U型巷道布置方式,巷道之间的煤柱留设十分重要。根据潞安集团余吾煤业S1202工作面实际情况,提出了一种称为宽煤柱内沿空掘巷的新型巷道布置方式;通过对综放工作面上覆岩体破断运动规律的研究,认为沿空巷道基本顶弧形三角块结构的稳定是保持沿空掘巷围岩稳定的前提;建立沿空巷道小煤柱力学模型,推导出煤柱内沿空掘巷小煤柱宽度计算公式,最终确定S1202瓦斯排放巷道排巷沿空侧护巷煤柱合理宽度为5 m,为潞安矿区类似条件下巷道优化布置提供了依据。

高瓦斯矿井 厚煤层综放开采 双巷布置 煤柱内沿空掘巷 弧形三角块结构煤柱宽度

为解决一般U型通风方式会遇到工作面上隅角及回风巷瓦斯含量经常超限的问题,潞安集团余吾煤业结合自身条件并经过多年的实践和探索,提出了在高瓦斯厚煤层综放工作面采用双U型巷道布置方式。双U型巷道布置即每个工作面有4条回采巷道为其服务,分别是运输巷、回风巷、进风巷(辅运巷)和瓦斯排放巷(简称瓦排巷),其中运输巷、切眼和回风巷构成工作面内圈巷道,进风巷、辅助切眼和瓦排巷构成工作面外圈巷道。采用双U型巷道布置工作面时,通常将上工作面的外圈巷道保留下来作为本工作面的外圈巷道使用,这样保留下来的外圈巷道就成为两个工作面之间的中间巷。由于中间巷服务相邻两个工作面,服务年限长且要经历两次强烈采动影响,若左右两侧煤柱宽度设计不合理,中间巷将受到两侧采动高应力叠加作用的影响,无法保持稳定,大部分时间处于返修或待修状态,不能正常使用,会成为制约高瓦斯厚煤层综放工作面高产高效的瓶颈。

因此,从改善沿空巷道受力环境为切入点,提出一种新型的宽煤柱内沿空掘巷的回采巷道布置方式,并确定合理的煤柱宽度,对提高高瓦斯矿井厚煤层煤炭资源回采率和降低巷道返修率具有重要意义,也为潞安矿区类似条件下巷道优化布置提供了依据。

1 工程概况

余吾煤业S1202工作面长300 m,走向长度2144.6 m,可采储量316.8万t。主采3＃煤层属于不自燃煤层,但煤尘具有爆炸危险性。3＃煤层容重1.39 t/m3,煤质松软,煤层倾角0°～10°,平均倾角为4.3°,平均煤厚5.89 m,煤层每开采1 g可燃煤所产生瓦斯体积为9.20 m L。

S1202工作面采用双U型巷道布置方式,回风巷与瓦排巷之间煤柱为37.8 m,运输巷与进风巷之间煤柱为35.2 m。利用S1201进风巷(全长1209 m)作为S1202回风巷,并从S1201进风巷停掘位置继续沿走向延伸1103 m。S1202工作面回风巷已成巷段与瓦排巷之间每50 m布置一条横贯,延伸段与瓦排巷之间每40 m布置一条横贯,横贯与钻场同中线布置,如图1所示;运输巷与进风巷之间每360 m布置一条横贯。工作面切眼采用主辅切眼方式布置。

图1 S1202工作面平面布置图

S1202瓦排巷沿3＃煤层顶板掘进,直接顶为细粒砂岩,厚度为0～3.6 m,黑灰色,薄层状,以平行层理为主;基本顶为中粒砂岩,厚度为0～7.95 m,黑灰色,中厚层状,以递变层理为主;伪顶为泥岩,厚度0～1.15 m,灰黑色,薄层状;直接底为泥岩,厚度0～0.9 m,黑色,中厚层状,含煤纹;老底为细粒砂岩,厚度0～2.47 m,灰黑色,厚层状,以水平纹理为主。

S1202瓦排巷整体布置在背斜褶曲两翼,从开口处至1896 m为背斜西翼,从1896 m至辅助切眼为背斜东翼。巷道最高点位于距本巷开口位置1896 m、标高＋586 m(底板)处,最低点位于距本巷开口位置199 m、标高为＋466 m(底板)处,最高点和最低点高差为120 m。巷道为矩形断面,净高3.2 m,净宽3.8 m,断面积12.16 m2。

2 新型双U型巷道布置方式

传统双U型巷道布置方式中,瓦斯排放巷两侧采用25～35 m的宽煤柱护巷,两侧工作面回采后巷道处于工作面侧向支承应力的叠加区,巷道围岩变形剧烈,维护困难,如图2所示。

根据采动支承应力分布规律和基本顶破断特征,提出了一种新型的双U型巷道布置方式,巷道布置情况见图3。由图3可以看出,沿上区段采空区边缘留小煤柱(煤柱Ⅰ)掘进本工作面瓦斯排放巷,上区段工作面外圈进风巷作为本工作面内圈回风巷使用,本工作面瓦排巷和上工作面保留的外圈运输巷用作本工作面回风巷,本工作面专用运输巷和进风巷用作进风巷,形成“两进两回”巷道布置,称此布置方式为宽煤柱内沿空掘巷。

图2 传统双U型巷道布置方式

图3 新型双U型巷道布置方式

新型巷道布置方式中瓦排巷要经历采动应力剧烈调整的全过程,短期内巷道维护非常困难,但最终巷道将稳定在工作面侧向支承应力的降低区。为了进行新型巷道布置,需要开展如下两方面的理论研究:煤柱内沿空巷道上覆岩层结构与稳定机理分析;小煤柱合理宽度的确定。

3 新型巷道布置方式理论研究

3.1 沿空巷道围岩稳定性分析

根据综放工作面矿压理论,工作面回采后采空区上覆岩层垮落,基本顶形成O-X型破断,如图4所示。破断后的基本顶岩块在工作面端头形成弧形三角块,弧形三角块在实煤体上方断裂并向采空区方向旋转下沉,弧形三角块结构的运动状态及稳定性直接决定了下方沿空留巷的围岩应力分布和变形规律。

图4 综放工作面基本顶破断形态示意图

从围岩力学性质和应力环境来讲,沿空巷道布置在基本顶弧形三角块下方,一般在弧形三角块形成稳定结构以后开始沿空掘巷,而沿空巷道掘进不会破坏弧形三角块结构的稳定状态;在邻近工作面回采期间,受邻近工作面采动支承应力作用,弧形三角块结构的稳定状态将发生较大的改变,并通过直接顶岩层和巷道顶煤作用于沿空巷道。所以,基本顶弧形三角块结构的稳定是沿空掘巷围岩稳定的前提,该结构的旋转下沉是造成该类巷道围岩大变形的主要原因之一。现场实践表明:沿空巷道在掘进阶段围岩变形较小,在工作面回采阶段巷道围岩变形较大。

以余吾煤业S1202工作面瓦排巷为例,该巷道布置在上区段运输巷和回风巷之间的煤柱内且靠近上工作面的采空区边缘,处于应力降低区。受上区段工作面回采产生的侧向支承应力影响,实煤体边缘将形成破碎区和塑性区(非弹性区),瓦排巷布置在此区域内,承载能力较低;在掘进瓦排巷期间,瓦排巷小煤柱上覆弧形三角块结构不会受到大的影响,可以保持稳定。但是,当S1202工作面回采时,受S1202工作面超前支承应力和S1201工作面采空区侧向支承应力叠加,瓦排巷上方的基本顶弧形三角块结构将进一步旋转下沉,瓦排巷围岩活动剧烈、变形量大,尤其小煤柱两侧的破碎区向煤柱中部扩展致使小煤柱煤帮严重鼓出。所以, S1202工作面回采期间应特别加强瓦排巷顶板和小煤柱煤帮管理。

3.2 沿空掘巷小煤柱合理宽度计算

以基本顶弧形三角块结构为沿空掘巷的上边界,以弧形三角块结构的S-R稳定理论和基本顶给定变形为前提条件,采用极限平衡法研究综放煤柱内沿空掘巷小煤柱的合理宽度。

在煤柱中部位置,沿宽度方向取一单元,建立如图5所示的力学模型,从煤柱非弹性区中取宽为dx、高为m的单元体进行分析,单元体在垂直应力σy、水平应力σx、围岩与顶、底板间的阻力T(T为摩擦力和残余内聚力C∗之和)、冒落矸石及煤帮支护对煤壁约束力Px等力的作用下处于极限平衡状态,单元体x方向的极限平衡方程:

图5 小煤柱极限平衡区受力分析

式中:Px——煤帮支护对煤壁的约束力;

m——煤层高度;

σx——水平应力;

σy——垂直应力;

T——围岩和顶、底板间的摩擦阻力;

f——煤体与顶、底板间的摩擦系数;

C∗——煤体的残余内聚力。

3.2.1 沿空掘巷围岩破碎区和塑性区宽度计算

根据弹塑性交界处应力连续条件,在一定开采深度和顶、底板条件下,弹塑性交界处(x＝x0)的支承应力峰值P＝Kγ岩H。同时考虑实际生产中由于掘进方法引起岩层扰动将导致小煤柱非弹性区宽度扩大,引入掘进扰动因子d,则由(1)式可以得到小煤柱非弹性区宽度的计算公式为:

式中:d——掘进扰动因子,不同掘进方法对煤柱的扰动程度也不一样,机掘较炮掘扰动程度小,d一般为1.5～3.0,机掘取1.5;

f——煤体与顶、底板间的摩擦系数,f＝tanφ1,φ1为煤体与顶、底板间的内摩擦角;

Kp——应力系数,Kp＝(1＋sinφ)/(1－sinφ),φ为煤层内摩擦角;

σc——煤体单轴抗压强度;

σc∗——煤体残余单轴抗压强度;

K——应力集中系数;

γ岩——上覆岩层平均容重;

St——比例系数,取0.5;

H——上覆岩层的埋深。

塑性区宽度:

破碎区宽度:

根据余吾煤业S1202工作面3＃煤层具体地质条件和和实验室岩块力学测试结果,各参数取值为:γ岩＝2.5×104N/m3,m＝2.2 m,H＝639 m,K＝2.0,φ＝32°,φ1＝20°,d＝1.5,σc＝1.89×107Pa,σc∗＝2.5×106Pa,M0＝1.0×109Pa,Px＝0,C∗＝0.3× 106Pa。计算得非弹性区宽度x0为1.74 m,破碎区宽度x1为1.67 m。

3.2.2 合理煤柱宽度的确定

采用锚杆支护的区段平巷如果小煤柱过窄,受采动支承应力的作用,小煤柱破碎区较大而使锚杆安设在破碎围岩中,锚杆锚固力急剧减小,锚杆支护作用降低。合理的煤柱宽度可由下式计算:

式中:B——煤柱的合理宽度;

x1——工作面采动产生的破碎区宽度;

x2——巷道小煤柱帮锚杆有效长度;

x3——考虑煤层厚度较大而增加的煤柱宽度,x3＝α(x1＋x2),α＝0.15～0.35,取0.25。

由式(2)计算得巷道非弹性区宽度为1.74 m,故取锚杆锚入煤体的深度为2.0 m,即x2＝2.0 m,所以煤柱设计宽度为4.59 m。考虑一定安全系数,S1202瓦排巷沿空侧护巷小煤柱合理宽度取为5 m。

4 结论

(1)根据采动支承应力分布规律和基本顶破断特征,提出了一种新型双U型巷道布置方式,此布置方式称为宽煤柱内沿空掘巷。

(2)通过对综放长壁工作面上覆岩体破断运动规律的研究,认为小煤柱沿空巷道基本顶存在弧形三角块结构,该结构是小煤柱沿空掘巷的上部边界,认为弧形三角块结构的稳定是沿空掘巷围岩稳定的前提,该结构的旋转下沉是造成该类巷道围岩大变形的主要原因之一。

(3)通过对沿空巷道力学模型的分析,建立了小煤柱极限平衡方程,推导出煤柱内沿空掘巷煤柱宽度计算公式,并根据余吾煤业具体条件,最终确定S1202瓦排巷沿空侧护巷煤柱合理宽度为5 m。该方法对类似条件下沿空掘巷合理煤柱尺寸的研究有一定的理论借鉴意义。

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(责任编辑 郭东芝)

Stability analysis on surrounding rock of gob-side entry in coal pillar in highly gassy mine

Su Hai
(1.Faculty of Resources&Safety Engineering,China University of Mining and Technology,Beijing,Haidian,Beijing 100083,China; 2.Yuwu Coal Industry Group Co.,Ltd.,Shanxi Lu＇an Mining Group,Changzhi,Shanxi 046103,China)

Fully mechanized caving faces in thick seam of highly gassy mine usually adopt double U-type drift layout pattern,the leaving and layout of coal pillar between roadways were very important.Based on the conditions of S1202 working face in Yuwu Coal Industry of Shanxi Lu＇an Mining Group,a new type roadway layout form named gob-side entry driving in wide coal pillar was put forward.Through the research on the motion law of overlying rock mass fracture in fully mechanized caving face,the stability of arc-shaped triangular block structure in main roof of gob-side entry was the premise of the surrounding rock stability of gob-side entry.The mechanical model of smaller coal pillar was set up and the computational formula of smaller pillar width was proved,and finally the reasonable width of gob-side entry protection coal pillar of S1202 gas drainage roadway was 5 m,which provided the basis to optimized layout of roadways in Lu＇an mining area.

highly gassy mine,fully mechanized caving mining of thick seam,two-roadway layout,gob-side entry driving in coal pillar,arc-shaped triangular block structure,coal pillar width

TD322.4

A

苏海(1973－),男,山西长治人,中国矿业大学(北京)在读博士,主要从事煤矿生产技术管理工作。