同忻矿特厚煤层小煤柱沿空掘巷分段支护设计研究

徐 昕,刘建伟,康国峰

(同煤国电同忻煤矿有限公司,山西 大同 037001)

我国煤炭资源储量丰富,特厚煤层广泛分布于各大矿区。随着经济发展,煤炭资源开采逐渐趋于精细化[1-2],特厚煤层开采时巷道支护问题逐渐成为重要研究课题。许多学者对特厚煤层大采高工作面沿空掘巷巷道支护进行了研究[3-4]。但对双系煤层开采条件下,特厚煤层综放工作面受上覆采空区影响的小煤柱沿空掘巷分段支护设计研究还有很大研究空间[5]。本文通过理论计算、数值模拟、工程类比及矿压观测等方法对采空区下特厚煤层大采高综放工作面沿空掘巷留设6 m小煤柱的条件进行分析并提出了合理支护方案。

1 工程概况

同忻矿位于大同市云冈区,主要开采石炭系3-5#煤层,煤层平均厚度为15 m,为近水平煤层。在8202工作面开采时(已开采结束),采用放顶煤采煤法,与相邻8203面采空区间留设38 m区段宽煤柱,见图1。8202工作面回采期间,受上部采空区、区段煤柱等影响矿压显现剧烈,最严重时回风巷与工作面交叉处仅为70 cm×70 cm的窄口,严重影响通风和安全,具体见图2。

图1 8202工作面 8203面采空区位置图

图2 5202巷变形严重图

8205工作面回采长度为1 500 m,预计一条煤柱损失煤炭约130万t。8205面与8207面采空区位置关系见图3。5205巷上覆有侏罗系采空区,层间距约220 m～238 m。为解决煤炭资源损失严重及区段宽煤柱压力大等问题,同忻矿决定采用沿空掘巷法,该法可降低区段宽煤柱集中应力。窄煤柱位于岩层三角滑移区保护之下能够保持稳定。依据资料[6]可以做出判断:8207采空区形成已距今1 a～1.5 a,对5205巷掘巷不会产生大的影响。为此,论文采用多种方法综合对5205巷沿空掘巷的煤柱宽度和巷道支护形式进行研究。

图3 8205面、5205巷与8207面采空区位置关系图

2 窄煤柱宽度理论分析

区段煤柱应力峰值距采空区边缘的距离可根据以下公式计算得出:

式中:M为煤层厚度,15 m;β为侧压系数,0.91(根据同忻矿二盘区地应力测试报告:5205巷道长轴方向为NEE方向,方位角为234.255°,这个方向与最大主应力方向基本一致。因此,在计算β时,实际的侧向压力为最小主应力。根据原岩应力测试得出,β=0.91);φ0为煤层内摩擦角,28°;C0为煤层内部黏聚力,1.8 MPa;Px为采空区对煤柱侧向约束力,0。代入相关参数计算得出不同开采煤厚时的支承压力降低区范围,见图4。8205面煤层平均厚度为13.76 m。

图4 不同开采厚度侧向支承压力降低区距离

由图4可知,平均应力降低区范围为14.3 m～15.4 m。考虑到5205巷沿空掘巷宽度为5.5 m,为保证巷道处于应力降低范围内,小煤柱最大宽度为8.8 m,但考虑到煤柱围岩变形情况与煤柱宽度的关系及煤柱隔绝采空区气体等要求,确定煤柱宽度为6 m。依据相关资料[7],煤柱影响系数取1.4,可估算应力降低范围约为11.4 m。故而,留设6 m小煤柱可以满足要求。

3 巷道支护方案设计

3.1 巷道支护分段模拟研究

图5 巷道工程地质图

5202工作面上方存在宽度不一的煤柱、采空区,见图5、图6。选用ABAQUS数值模拟软件对侏罗系遗留煤柱垂直应力进行模拟,见图7。

图7中的红线为应力监测线。由图7知4个采空区下都为应力降低区,说明侏罗系遗留煤柱对掘巷期间的小煤柱无太大影响。为进一步分析侏罗系遗留煤柱对5205沿空巷护巷煤柱的影响,用ABAQUS有限元软件对8207工作面开挖后以及8205面回采至遗留煤柱(F-G)下时的煤柱应力进行分析,见图8、图9。根据煤柱应力状态,可分段为采空区影响区(A-B、E-F、G-H、I-J)、煤柱不影响区(C-D、K-L)与煤柱影响区(B-C、D-E、F-G、H-I、J-K)。A-K各点距西二盘区回风大巷的距离如表1所示。

图6 8205、8207工作面巷道空间位置关系图

图7 侏罗系遗留煤柱垂直应力模拟结果

表1 巷道煤柱影响区位置表

由图7知8205工作面回采至遗留煤柱(F-G)下时,底板应力与8205面采动应力叠加作用使得5205巷受到的采动影响加剧。主要影响发生在回采期间(不是掘进期间),影响的主要位置为超前工作面煤帮侧面。因此,需要依据应力状态对5205巷进行分段支护设计进行强化。除去应力影响小的范围及已有巷道,对5205巷进行沿空段的支护设计,不存在实体煤段,故对实体煤段的支护情况不予考虑,特此说明。

图8 8207面开挖后3-5#煤层垂直应力云图

图9 8205面回采至遗留煤柱(F-G)下时3-5#煤层垂直应力云图

3.2 5205巷分段支护设计方案

结合上述分析,参照《巷道顶板锚杆基本支护形式与主要支护参数》《节理、层理发育程度分级》。使用工程类比法参照千秋矿与塔山矿小煤柱开采的巷道支护形式(千秋矿、塔山矿与同忻矿生产条件类似)。根据高强度锚杆支护巷道围岩强化强度理论,锚固平衡理论和锚索的悬吊补强理论。按照锚杆、锚索耦合支护原则和动态系统设计方法等,结合同忻矿以往巷道支护及现场监测数据和5205巷的围岩力学特性等来确定锚杆、锚索支护密度及长度等,确定参数如下:

1)锚杆长度为:L=2 500 mm、Φ=22 mm。

2)锚杆间排距为:900 mm×900 mm。

3)顶锚索长度:6.3 m和8.3 m两种。

4)顶锚索排距:因为锚索排距一般不大于锚索长度的1/2,所以排距小于3 m或4 m即可。为确保支护效果,排距取1.8 m满足要求。

5)每排锚索数目:按1.8 m的排距在顶部每排布置6根进行加强。

具体方案设计如下:

1)采空区影响段

a.巷道顶板支护设计:每排6根锚杆,排距900/1 800 mm,间距900 mm;每两排锚杆打一排锚索,排距2 700 mm,间距900 mm;每两排锚杆打一排锚索,排距2 700 mm,间距900 mm,每排6.3 m和8.3 m锚索交替布置6根;两腮布置5.3 m肩角锚索,排拒1 800 mm,锚索吊600 mm短节工字钢,两排锚杆中部加一套组合锚索(5根),具体见图10、图11。

b.组合锚索:在两排锚杆中布置,排距2 700 mm,间距2 400 mm。组合锚索使用5根,中间1根为Φ21.8 mm-1×19-10 300 mm,四周分别是2根Φ21.8 mm-1×19-8 300 mm和2根Φ21.8 mm-1×19-6 300 mm,成对角布置。5205巷临近8205工作面开切眼位置前50 m,后20 m范围内组合锚索排间距减小为1 800 mm×1 800 mm(组合锚索个数一排由两个变成三个),见图12。

c.巷道两帮支护设计。采煤帮支护:锚杆排距900 mm,间距900 mm,直径Φ22 mm,杆长为3 000 mm。距巷道顶400 mm打1根锚杆与水平方向夹角为10°(向上偏),底部锚杆与水平方向夹角为20°(向下偏),中间2根锚杆(交替换成锚索,为Φ21.8 mm-1×19-5 300 mm,排距1 800 mm,垂直巷帮。距巷道底2 950 mm布置一排锚索,为Φ21.8 mm-1×19-5 300 mm钢绞线,间距900 mm,金属网为50 mm×50 mm 的网格菱形金属网,见图12。

煤柱帮支护:锚杆支护与采煤帮支护相同。距巷道顶400 mm打1根锚索替代锚杆,与水平方向夹角为10°(向上偏)。距巷道底700 mm打1根锚杆与水平方向夹角为20°(向下偏),中间2根锚杆(交替换成锚索,为Φ17.8 mm-1×7-4 300 mm,排距1 800 mm)垂直巷帮。金属网规格同采煤帮,见图13。

图10 5205巷采空区影响段支护图

图11 5205巷采空区影响段顶板支护平面图

图12 5205巷采空区影响段采煤帮支护平面图

图13 5205巷采空区影响段煤柱帮支护平面图

2)煤柱影响段

对比与采空区影响段的不同之处:

a.巷道顶板支护将两腮布置的肩角锚索,由Φ21.8 mm-1×19-5 300 mm改为Φ21.8 mm-1×19-6 500 mm。

b.采煤帮支护将距巷道底2 950 mm布置的一排锚索,由Φ21.8 mm-1×19-5 300 mm改为Φ21.8 mm-1×19-6 300 mm。

c.煤柱帮支护将距巷道顶400 mm的1根锚索由Φ17.8 mm-1×7-4 300 m改为Φ17.8 mm-1×7-4 500 mm;将距巷道底700 mm打的1锚杆与2根锚杆交替换成的锚索由Φ17.8 mm-1×7-4 300 mm改为Φ17.8 mm-1×7-4 500 mm。

其它与采空区影响段的支护形式完全相同,组合锚索的布置也完全相同。

4 矿压监测

为验证设计方案效果,用“十字布点法”对分段支护巷道顶底板及两帮移近量进行监测,监测位置为分段支护巷道中部。结果显示:

1)5205巷在掘进期间,采空区影响段顶底板移近量最大值是13.12 mm,两帮移近量最大11.21 mm;煤柱影响段巷道顶底板最大移近量20.18 mm,两帮最大移近量23.34 mm。

2)5205巷在回采期间,将矿压测点布置在工作面前方40 m处。结果显示:采空区影响段5205巷顶底板移近量最大26.85 mm,两帮移近量最大值21.32 mm,煤柱影响段巷道顶板移近量最大值为38.20 mm,两帮最大移近量43.24 mm。

总体来看,巷道变形量时较小,说明所设计的分段支护方案能够满足安全生产需要。

5 结论

1)通过理论计算确定煤柱采空区侧应力降低区宽度为14.3 m～15.4 m,并确定5205巷沿空掘巷小煤柱宽度为6 m。经ABAQUS数值模拟确定出5205巷前方不同结构下煤柱应力分布情况,并据此确定出5205巷煤柱上方分为采空区影响区域和煤柱影响区域,需分开设计。

2)根据理论计算、工程类比及现场监测确定出采空区及煤柱影响段支护方案为锚杆索主支护与组合锚索辅助支护相结合的支护形式。

3)现场矿压监测显示:5205巷最大移近量在8205工作面回采期间的煤柱影响段,顶底板移近量最大值38.20 mm,两帮移近量最大值43.24 mm。说明巷道能满足安全生产需要,设计合理,支护有效。