极近距离煤层回采巷道支护方案优化

乔 盛

(山西煤炭运销集团 小窑头煤业有限公司, 山西 大同 037003)

极近距离煤层回采巷道支护方案优化

乔 盛

(山西煤炭运销集团 小窑头煤业有限公司, 山西 大同 037003)

以小窑头煤业极近距离煤层12#煤层巷道支护为背景,通过理论分析,分析了巷道稳定性差的主要原因为11-3#号煤层回采后遗留煤柱底板应力集中的影响,并计算影响范围,根据不同层间距制定不同的支护方案,并通过现场实测,支护效果明显,保证了工作面的安全回采,为极近距离煤矿巷道支护设计提供了新的思路。

极近距离煤层; 围岩稳定性; 巷道支护; 工程实践

近距离煤层在我国分布广泛,由于两煤层距离较近,在实际回采过程中存在诸多技术难题[1-2]。尤其当下煤层工作面开采时,上煤层遗留煤柱集中应力通过底板传播到下煤层,使得下煤层采场周围应力、工作面矿压显现进一步复杂化。给下煤层工作面顶板管理以及巷道支护带来了较大的困难。传统的单一煤层工作面顶板、围岩控制理论以及经验已不能解决近距离煤层工作面开采过程中遇到的问题[3-4]。本文以山西煤炭运销集团小窑头煤业地质条件为背景,对受上煤层遗留煤柱影响的极近距离12#煤层回采巷道围岩支护技术进行了优化,给出了12#煤层回采巷道的支护方案,保证了工作面安全回采。

1 工作面概况

山西煤炭运销集团小头窑煤矿主采12#、13#和14#煤层,目前主要回采12#煤层,埋深为250 m～290 m,煤层厚度1.5 m～4.3 m,平均2.67 m,倾角4°～8°,与11-3#煤层层间距1.85 m～11.50 m,平均4.28 m,属于极近距离煤层开采,层间距极不稳定。目前11-3#煤层已经全部回采完毕,留有许多顺槽煤柱,在12#煤层巷道掘进时,发现现有支护方案下,巷道受到11-3#煤柱影响严重,巷道片帮、顶板破碎严重,给安全生产造成了一定的影响。

2 极近距离煤层巷道稳定性研究

在极近距离煤层回采过程中,上煤层遗留煤柱应力会向底板深部延伸,由于两煤层层间距较小,煤柱的支撑应力会影响到下煤层回采巷道的稳定性,给巷道支护带来一定的困难。上煤层煤柱对下煤层巷道围岩影响,见图1。

图1 极近距离煤层工作面力学结构分析Fig.1 Mechanical & structural analysis of working face in extra-close distance coal seam

根据两煤层层间距离结合煤柱对下煤层巷道的影响程度,将12#煤层巷道顶板分为三种类型:一是松散体顶板,当层间距H≤2 m时,煤柱对于12#煤层巷道的影响较大,在巷道未开挖之前顶板已经受到一定的破坏,破坏的顶板与上层采空区矸石混合压实,此类顶板掘进巷道需利用圆木做假顶配合钢梁架棚支护;

二是破碎顶板,当层间距2 m

三是普通顶板,当层间距H>4 m,由于受11-3#遗留煤柱底板破坏影响较小,该范围顶板基本稳定,此类型顶板下方支架初撑力可适当提高,掘进巷道在多数情况下,采用锚杆+锚索网支护即可。

3 极近距离煤层巷道支护方案的确定

在近距离煤层下煤层巷道支护中,需要解决的主要问题是如何将破碎顶板组合成一个整体使其形成一定的结构具有承载能力;降低原有受到破坏的围岩在下煤层回采过程中继续破坏。由前述计算分析可知,11-3#层开采后煤柱对底板的影响深度为2.32 m～3.15 m,因此需要对不同层间距下的巷道采用不同的支护方案。本文以12#煤2盘区21202工作面巷道支护为背景,将支护范围定为:小于2 m的巷道、2 m～3 m的巷道和3 m以上的巷道,对这三种层间距的巷道分别分段进行支护。

3.1层间距2m以下的巷道支护方案

巷道断面尺寸为4 000 mm×2 800 mm(宽×高);11#工字钢棚为主,液压单体柱为辅,另外在煤柱帮顶部施加锚索(排距1 m);钢棚排距1 m,每排两架,工字钢梁长3.8 m,棚腿2.75 m;顶梁与顶板之间用刹顶木刹紧背牢,刹顶木使用40或60木板,间距800 mm;当顶板破碎或压力增大时,顶板铺菱形网,并将网压紧压实。现有支护无法满足时及时补强支护或在距钢架两侧100 mm处支设液压单体柱。

3.2层间距2m～3m巷道支护方案

巷道断面尺寸为3 600 mm×2 600 mm(宽×高)。支护形式为锚杆+钢绞线锚索+帮锚杆支护(支护示意图,见图2)。

图2 层间距2 m～3 m巷道支护断面示意图Fig.2 Cross-section of roadway support with interlayer spacing ranging from 2 to 3 meters

顶锚杆选用左旋无纵筋螺纹钢锚杆钢锚杆,长度为1.8 m,直径18 mm。锚杆间排距为800 mm×800 mm,帮锚杆与垂直方向夹角为30°;树脂药卷选用1卷K2335和1卷Z2335;选用高强球型托盘(尺寸:150 mm×150 mm×8 mm)联合W钢带压金属网的方式进行支护;锚索梁排距1 600 mm,11#工字钢梁长度3.2 m,设置3个孔,中间孔用锚杆固定。帮锚索与水平方向夹角为30°,排距1 600 mm。当顶板破碎或巷道压力显现明显时,使用单体柱对工字钢梁进行补强。

3.3层间距3m以上巷道支护方案

巷道断面尺寸为3 600 mm×2 600 mm(宽×高)。支护形式为锚网索支护(支护示意图见图3)。锚杆间排距为1 000 mm×1 000 mm,其余参数与层间距2 m～3 m段方案相同。锚索沿巷道中心线布置1根,排距为2 000 mm,层间距在4 m～5 m时用4 m锚索,5 m～6 m间距用5 m锚索,6 m以上的间距用6 m锚索。

图3 层间距4m以上巷道支护断面示意图Fig.3 Cross-section of roadway support with interlayer spacing more than 4 meters

4 工程应用效果分析

4.1现场支护效果

21202工作面在掘进过程中围岩变形严重,顶板冒漏现象频发。补强支护的W钢带受到挤压变形严重,局部区域工字钢棚弯曲严重,顶板下沉量较大,网兜到处可见,巷道整体稳定性极差。根据层间距不同,采用分段支护方案,采用新型让压支护材料,巷道整体稳定性得到维护,钢棚支护效果较好,顶板基本保持完整。

4.2巷道围岩应力及变形量监测

采用锚杆测力计对掘进和回采期间顶板锚杆、锚索受力情况进行监测,测点位于工作面前方100 m处回风巷中部,层间距在5 m左右,监测曲线见图4。巷道掘进期间,顶板锚杆和锚索受力均不大,稳定时锚索的轴力为88 kN、锚杆轴力43 kN,锚索受力明显大于锚杆,这说明锚索是主要的受力体,能够在很大程度上保证巷道围岩稳定性。

图4 锚杆、锚索受力情况Fig.4 Force condition of anchor and cable

图5为测点在工作面回采过程中巷道围岩变形量,在现有支护下,巷道顶板移近量最大174 mm,两帮移近量最大169 mm,均在距离工作面30 m位置显著增大,从围岩变形量可以看出工作回采过程中,巷道整体处于稳定状态,在超前工作面30 m范围内要加强支护。

图5 测点处围岩移近量随工作面推进的变化规律Fig.5 Variance of surrounding rock convergence with working face advancing at the testing points

5 结论

本文以小窑头煤业极近距离煤层12#煤层巷道支护为背景,通过理论分析,现场实测等方法得出了以下结论:

1)11-3#煤层遗留煤柱在底板应力集中造成巷道破坏严重的主要原因,根据滑移线场理论分析计算得出,煤柱破坏深度为2.32 m～3.15 m。

2) 根据煤层间距小于2 m、2 m～3m、3 m以上的巷道,分别进行分段支护。

3) 对21202工作面回采巷道在工作面回采过程中,巷道围岩变形量、锚杆、锚索受力情况进行了现场观测,结果表明,分段支护方案合理,能够保证工作面安全回采。

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OptimizationofRoadwaySupportSchemeinExtra-closeCoalSeam

QIAOSheng

(XiaoyaotouCoalCo.,Ltd.,ShanxiCoalTransportationandSaleGroup,Datong037003,China)

Taking the roadway supporting in No.12 extra-close coal seam in Xiaoyaotou Mine as the background, theoretical analysis shows that the poor stability is mainly caused by stress concentration in the pillar left over by caving of No.11-3coal seam. The influence range was calculated. Supporting plan was designed by different interlayer spacing. Field testing shows obvious support effects, which ensures the safe caving and provides a new idea for the support design for the extra-close coal seam.

extra-close coal seam; stability of surrounding rock; roadway supporting; engineering practice

1672-5050(2017)04-0011-04

10.3919/j.cnki.issn1672-5050sxmt.2017.08.004

2017-06-04

乔盛(1969-),男,山西大同人,本科,助理工程师,从事煤矿开采技术研究。

TD353

A

(编辑:杨 鹏)