三软煤层往复式无煤柱开采技术

王效勇，王发达，张贵银

(1.山东华恒矿业有限公司, 山东新泰市 271200；2.山东科技大学矿业与安全工程学院, 山东青岛市 266590)

三软煤层往复式无煤柱开采技术

王效勇1，王发达1，张贵银2

(1.山东华恒矿业有限公司, 山东新泰市 271200；2.山东科技大学矿业与安全工程学院, 山东青岛市 266590)

永安煤矿主采煤层M7为三软煤层，在生产过程中遇到了采掘接续失衡、软岩支护困难等问题。为保证安全生产，运用理论分析、数值模拟和现场试验等方法，对采区巷道布置进行了优化，形成了适合三软煤层条件的往复式采煤方法；确定了“高强度金属粗尾让压锚杆+W钢带+金属网+锚索”的软岩巷道联合支护方式；提出了一种“让压可缩巷旁充填留巷技术”，并确定了合理的巷旁充填体参数。

三软煤层；往复式采煤方法；让压可缩充填；软岩支护

建国以来,我国普遍推行长壁后退式采煤法,存在煤柱丢失严重、工作面搬家效率低等缺点。从国外情况来看,美国、前苏联、西德均采用往复式开采来减少综采设备的搬迁[1]。往复式开采可以实现连续开采,节省大量的搬迁工作量,降低搬家费用,对于解决矿井生产接续紧张的问题作用明显。目前,我国的综采工作面多设在顶底板条件较好的缓倾斜近水平中厚煤层中,如果相邻采区巷道均已掘出或已生产,只要对巷道稍加改进,就可实现区间往复式和区内往复式开采。

在我国的南部地区,煤层地质条件复杂,存在相当多的三软煤层,软岩支护成为煤矿开采中的重中之重。回采巷道采用传统支护方式,如工字钢支架、U型钢可缩支架支护时不仅在掘进期间围岩变形剧烈,而且在服务期间需多次翻修,巷道维护极为困难。因此,寻求一种有效的支护方法具有重要意义。

1 工程概况

永安煤矿矿区南北方向净长2.3 km,东西方向净宽为1.3 km,面积2.9943 km2,开采深度2950～2400 m。可采煤层为M7,煤厚平均为1.45 m,倾角22.5°,煤质较软,直接顶板为泥岩和泥质粉砂岩,厚度4.04m,直接底板为黑色泥岩,厚度1.6m,其煤层属于三软煤层。矿区北翼采区为本工程的试验采区,有3个工作面。

2 往复式采煤巷道布置

根据永安煤矿煤层赋存条件,若采区全部采用后退式回采,煤矿面临的采掘压力较大,巷道掘进工程量较大,尤其是三软煤层的支护比较困难,同时区段之间需留设煤柱,煤炭资源浪费严重,不利于煤矿经济效益的提升。若采区全部采用前进式回采,在采煤工作面生产的同时需在原回采巷道基础上超前掘进一段距离,采掘干扰严重。采用往复式采煤方法则兼具上述2种方式的优点,宜在矿区内推广应用。

如图1所示,在1703工作面采用前进式走向长壁法开采后,为缓解采掘接替紧张、工作面搬家困难的局面,在1704工作面采用后退式走向长壁开采,同时1705工作面开始掘进巷道,为下一区段的采煤做好准备。为解决往复式开采通风问题,专门开掘了一条边界回风上山。在1703工作面开采后期,开始在1703运输巷末端作切眼,当1703工作面开采完毕,工作面设备直接搬运至1704工作面开切眼,极大地提高了搬家效率,同时也减少了煤柱损失,提高了煤炭资源回收率。

图1 北翼采区巷道布置

图2 巷道断面形状及理想状态下等效圆示意

3 回采巷道支护方案

锚杆支护属于主动支护方式,可提高巷道支护效果,降低支护成本。根据国内外其他矿井的相关经验,永安煤矿三软煤层巷道确定采用锚杆并辅以锚索加强支护的联合支护形式。

3.1 巷道支护参数计算

3.1.1 锚杆长度计算

采用围岩松动圈理论,计算顶板及两帮锚杆长度[2],图2为巷道断面形状及理想状态下等效圆示意图。等效圆半径[2]为:

式中:a——巷道两帮间距,m；

h——巷高,m。

根据巷道断面尺寸知:a＝2.4 m,h＝3.0 m,代入

式(1)可得,r＝1.81 m。

将梯形巷道转化为等效圆后,其塑性区半径或巷道开挖后围岩塑性变形半径R0[3]为:

式中:r——梯形巷道等效转化后塑性区半径,m；

P——试验巷道地应力,MPa；

C——煤层粘聚力,MPa；

φ——煤层内摩擦角,(°)。

根据巷道监测结果地应力取值15.0 MPa,煤层内摩擦角取值37°,煤层粘聚力取值2.38 MPa,可得R0＝2.53 m。

顶板塑性区范围[3]为a1＝R0-h/2＝1.03 m,两帮塑性区范围为a2＝R0-a/2＝1.43 m。

顶锚杆长度为L顶＝a1+L0+H1。

式中,H1为锚杆锚固有效长度,m；L0为锚杆外露长度,m。

根据现场情况,取L0＝0.1 m,H1＝0.5 m,可得L顶＝1.63 m,考虑梯形断面,顶锚杆长度可取2.0 m。同样的,帮锚杆长度可得出L帮＝1.83 m,故帮锚杆长度可取2.0 m。

3.1.2 锚杆间排距计算

锚杆间距可根据挤压加固拱理论得出:

式中:a0——锚杆间排距,m；

b——拱形带范围,m；

α——锚杆控制角,(°)；

L——锚杆支护有效长度,m。

将已知数据代入可知,锚杆间排距a0理论值为600 mm。

3.1.3 锚索支护参数

锚索长度研究类似锚杆,可用悬吊原理,其长度为:

式中:H1——坚硬岩层中的锚索长度,m；

H——软岩的范围或者直接顶厚度,m；

L2——锚索的外漏长度,m。

H1取0.5 m,L2取0.3 m,直接顶厚度取4.04 m,可得锚索长度L＝4.84 m,锚索长度可选5 m规格。

锚索安装困难,不易密集锚入岩层,其间距可计算如下:

式中:a’——顶锚杆间排距,1 m；

P1——理想状态下,锚索能承受的最大拉应

力,取230 kN；

k——碎胀系数,此处主要指直接顶,取0.6～

0.7；

f——砂质泥岩的普氏系数,根据实验室结果

取4～5；

B——巷道宽度为2.4 m；

γ——上覆岩层的平均容重为20 kN/m3；

P2——理想状态下,锚杆能承受的最大拉应

力,取55 kN；

α——近巷帮锚杆与巷道上边夹角,75°。

代入数据可得,L0＝3.53 m,可取3.5 m。

以上计算得出的锚杆参数只是理论值,并不能直接用于现场支护,综合巷道的支护成本与支护效果,应通过数值模拟和现场试验等手段选择最合理的支护方案。

3.2 巷道支护方案数值模拟

根据巷道支护参数的分析,设计了两种巷道支护方案,方案一是普通螺纹锚杆+W型钢带+金属网+锚索的联合支护方式,方案二是高强度金属粗尾让压锚杆+W型钢带+金属网+锚索的联合支护方式。其模拟效果如图3、图4、图5所示。

图3 回采期间顶板移近量变化云图

图4 回采期间两帮移近量变化云图

图5 回采期间塑性区变化云图

总体来看,巷道在回采期间,方案一巷道顶底板移近量约为500 mm,两帮移近量为600 mm,方案二巷道顶底板移近量约为100 mm,两帮移近量为200 mm,方案一的围岩塑性区反为比方案二大,据此分析,最终选择方案二对巷道进行支护,即“高强度金属粗尾让压锚杆+W型钢带+金属网+锚索”的联合支护方法。

4 沿空留巷巷旁支护设计

4.1 让压可缩巷旁充填结构模型

所谓让压可缩巷旁充填,主要是巷旁充填体具有一定的变形量,受上覆岩层作用产生压缩变形,使其能够在覆岩岩层弯曲下沉过程中起到让压、隔绝采空区作用。如图6所示。

图6 让压可缩巷旁充填留巷

4.2 充填体参数确定

4.2.1 充填体宽度

根据矿压控制理论[4],巷道充填体应处于内应力场内,故充填体宽度[5]为

1703工作面各参数取值如下:采深H＝343.5 m,γ＝1.45 kN/m3,Hg＝10.8 m,Kmax＝1～2,取1.7,Ci＝15 m,σ＝0.22 MPa,h＝1.6 m,。将以上数据代入式(6),得S0＝1.76 m,现行的沿空留巷中充填体墙的宽度一般取采高的0.9倍,以1703面为例,采高1.6 m,则充填体墙宽度应为1.5 m,与所得内应力场范围作对比,可知充填体宽度1.5 m＜1.76 m满足要求。

4.2.2 柔性充填体高度

沿空留巷要求充填体材料在经济可靠地原则下强度尽可能的小(强度与成本一般成正比关系),因此充填体的工作状态应为“给定变形”[4],充填体最理想的状态为仅支承巷道范围内直接顶的重量；而上覆岩层的重量由采空区破碎岩石与采空侧煤体共同支承。

由力学平衡式,可令老顶断裂与采空区矸石刚接触时充填体的压缩量为Δh1,在上覆岩层作用下,矸石压实,此时充填体的压缩量[5]为Δh2,则柔性充填体高度:

根据生产情况得知le＝5.2 m,代入上式得hr＝0.45 m,即柔性充填体高度为0.45 m。

4.2.3 留巷方案

设计采用木垛+混凝土块的留巷充填方案,根据前面对于充填体结构参数和可变形体高度的研究,得到混凝土块高度1.15m,宽度1.5m,木垛高度0.45 m,宽度1.5 m。本方案中混凝土块的尺寸为1.5 m×1.5 m×1.15 m,混凝土块在地面用模具提前预制成型,通过辅助运输手段运送至井下工作面,强度高,成本低,同时混凝土块与木垛的组合达到了留巷的各项经济技术指标[6]。

5 结 论

运用理论分析、力学分析、数值模拟、现场试验等方法对永安煤矿“三软煤层”往复式采煤方法进行了深入研究,得到了以下主要结论:

(1)根据永安煤矿煤层地质条件,提出了往复式采煤方法,并对永安煤矿的巷道布置进行了优化设计,为往复式开采提供了必要条件。

(2)通过理论分析,确定了软岩回采巷道采用“高强度金属粗尾让压锚杆+W型钢带+金属网+让压免张拉预应力锚索”联合支护方案。

(3)提出了一种新型无煤柱开采模式——让压可缩巷旁充填留巷技术,确定了永安煤矿沿空留巷刚性充填体宽度1.5 m,高度1.15 m,柔性充填体高度0.45 m。

[1]杨本生,梁 苗,赵明洲.往复式开采技术的应用实践[J].煤炭工程,2009.

[2]李桂臣,张 农.高地应力巷道断面形状优化数值模拟研究[J].中国矿业大学学报,2010(9).

[3]张 川.软弱特厚煤层综放回采巷道支护技术研究及应用[D].青岛:山东科技大学.2011.

[4]宋振骐.实用矿山压力与控制[M].北京:中国矿业大学出版社,1988.

[5]文志杰.无煤柱沿空留巷控制力学模型及关键技术研究[D].青岛:山东科技学.2011.

[6]魏胜利.三软煤层复采工作面无煤柱沿空掘巷支护技术[J].煤炭科学技术,2010(12):33-35.

[7]王 勇.“三软”倾斜煤层沿空留巷巷旁支护技术研究[D].重庆:重庆大学.2012.

2015-03-08)

张贵银(1989-)，男，山东菏泽人，硕士研究生，Email:zgy890627＠163.com。