条带充填开采支巷快速掘进支护技术

宋志强

(山西三元煤业股份有限公司, 山西 长治 046013)

近几年各种高新技术产业迅速发展,社会对能源的需求量与日增长,煤炭作为能源结构中主要的一环其需求量尤为巨大[1-3]。随着时间的推进,越来越多的新型采煤方式被提出并应用。其中,条带式充填开采是一种应用较为广泛的新型开采方式。

由于其对煤炭开采的重要性,目前条带式充填开采已成为学术界一个重点研究方向[4-10]。国内外学者在条带支护方面已经进行了大量的研究,并获得了一些重要的研究成果。例如,蓝航等[11]针对深部条带煤柱蠕变影响下地表出现的残余沉降现象,对煤柱进行采样并在实验室进行蠕变渗流试验,根据实验数据反演得到了煤体蠕变本构方程组及其蠕变力学参数,并对条带开采后的地表残余沉降进行了模拟,获得了系统完整的地表沉降机制。王庆涛和邵红旗[12]针对深部条带开采覆岩具有富水、岩石电性差异小的问题,采用并行电法对深部条带覆岩开采后的破坏特征进行了研究,分析了覆岩在条带开采后的电性特征,得出了适用于深部条带开采孔间并行电法测试的理论准则。申斌学等[13]针对榆树湾煤炭资源开采区域不规则的问题,结合地质条件提出了双巷条带式开采法,并根据榆树湾煤矿不规则区域的形状特征对此区域的开采方案进行了设计。现场实践表明,条带式充填开采法显著增加了不规则区域的煤炭开采效率。虽然目前针对条带式充填开采的应用研究取得了一定的成果,但是要彻底解决复杂地质环境中条带支护的难题,还需要做更多的研究。

为此,以山西三元煤业股份有限公司1#充填工作面支巷的具体工程地质特征及生产技术条件为背景,结合三元煤业二采区以往巷道支护经验以及现场实地调研,综合运用理论分析与数值模拟等相结合的方法,在保证巷道安全稳定的前提下,从节约支护成本、提高掘进效率的角度出发,提出一种能够科学匹配条带式充填开采快速掘进的新型支护理念与关键技术。

1 工程地质概况

三元煤业1#充填工作面支巷所在煤层地质构造简单,煤层层理发育,局部节理较发育,受煤层间滑动作用影响,夹矸局部增厚,顶、帮破碎。

1#充填工作面支巷3#煤层平均厚度约7.1 m,为黑色块状或粉末状,经测量普氏硬度约为0.63。3#煤结构简单,煤层的老底为厚度2.6 m的灰白色中粒砂岩;直接底为厚度0.2 m的黑色砂质泥岩;老顶为厚度2.4 m的具裂隙中粒砂岩,泥质充填,层理发育较完全,断口参差不齐;直接顶为厚度7.12 m的黑色砂质泥岩,泥质胶结。

2 条带充填开采支巷围岩变形破坏特征数值模拟

基于三元煤业1#充填工作面支巷的具体条件,采用3DEC模拟软件建立数值计算模型,如图1所示。模型的上边界有上覆岩层载荷作用,为7.9 MPa,水平方向上的侧压系数为1.3和0.7。数值模拟采用的模型为摩尔-库仑(M-C)本构模型。

图1 1#充填工作面支巷三维数值计算模型

图2为1#充填工作面支巷掘出后围岩在垂直方向和水平方向上位移的分布云图。图3为1#充填工作面支巷巷道围岩塑性区分布云图。由图2和图3可知:①支巷巷道顶板的最大垂直位移为150 mm,帮部最大水平位移为159 mm;②巷道顶板边角处发生岩层滑移,煤层与下部砂质泥岩交界面发生滑移;围岩塑性区主要分布于顶底板及巷道两帮,两帮的破坏方式以剪切破坏为主,帮部塑性区深度可达1.8 m;③巷道顶板的破环方式主要是拉伸破坏,塑性区范围较小,深度达1.7 m;巷道底板为3#煤层,塑性区域深度达2.3 m,塑性区范围较大,加剧了帮部围岩变形和巷道肩窝变形。

图2 1#充填工作面支巷巷道掘出后围岩位移云图

图3 1#充填工作面支巷巷道围岩塑性区分布云图

综上所述,1#充填工作面支护巷道开挖过程中围岩破坏的主要形式为巷道顶板下沉、煤岩交界处顶角煤层与砂质泥岩层发生滑移,导致两侧煤层向巷道断面收缩变形,剪切滑移破坏极易发生在煤层肩窝处,锚杆(索)发生明显的剪切弯曲变形。

3 支巷快速掘进支护方案设计

3.1 锚杆支护参数设计

3.1.1 顶板锚杆参数

经由工程的地质条件,锚杆的外露部分长度取0.1 m,锚杆为稳定岩层而插入的长度取0.3 m,围岩稳定影响系数取1.2,巷道跨度取5.0 m。经计算锚杆总长度至少为2.32 m,取为2.4 m。

锚杆的设计锚固力取127 kN,锚杆抗拉强度取335 MPa。代入锚杆直径计算公式,可以得到锚杆直径d=21.98 mm,取22 mm。考虑到顶板岩层和实际施工情况,确定1#充填工作面支巷掘进时顶板锚杆选用φ22 mm×2 400 mm左旋无纵筋螺纹钢锚杆,材质为HRB335锚杆专用钢材,屈服强度不低于335 MPa,屈服载荷127 kN,极限破断载荷173 kN,断后伸长率不低于20%,杆尾螺纹为M24。

为了增加围岩表面的护表面积,同时为了配合高强锚杆,采用面积较大、强度较高的150 mm×150 mm×10 mm的Q235拱型高强度托板,配合高强螺母、高强调心球垫和尼龙垫圈使用。

顶板锚杆数量根据加固拱结构的抗剪强度来确定,假设锚杆间距与排距相等均为a,则锚杆间排距应满足

(1)

式中:d为锚杆直径,取22 mm;τ为锚杆杆体抗剪强度,对于HRB335材质锚杆取370 MPa;L2为锚杆有效长度,取1.92 m;q为顶板垂直应力,取7.9 MPa;B为巷道宽度,取5.0 m;K为安全系数,取1.2。代入式(1)计算,可以得到a≤1.23 m。

顶板锚杆锚固长度Lm按照下式进行计算。

(2)

式中:P0为预设的锚固力,取127 kN;R为锚杆的孔半径,取0.014 m;C0为树脂锚固剂的黏结强度,按松软破碎岩体考虑,取0.9 MPa。代入式(2)计算,可以得到Lm=1.58 m。

所需锚固剂长度为

(3)

式中:R锚为锚杆杆体半径,为0.011 m;R药为树脂锚固剂半径,取0.011 5 m。代入式(3)计算,可以得到L药≈0.9 m。

3.1.2 两帮锚杆参数

经计算,1#充填工作面支巷巷帮潜在塑性破坏范围约为0.56 m,选用φ22 mm×2 000 mm高强玻璃钢锚杆进行巷帮支护;高强玻璃钢锚杆的材质为玻璃纤维增强塑料,杆体抗拉强度不低于300 MPa,抗剪强度不低于75 MPa。为了增加围岩表面的护表面积,采用150 mm×150 mm×10 mm的Q235拱型高强度托板,配合高强螺母、高强调心球垫和尼龙垫圈使用。

3.2 锚索支护参数设计

理论上,锚索长度应根据巷道围岩扰动应力区分布范围来确定,如图4所示。锚索长度用下式计算。

图4 锚索长度计算原理图

L=L1+L2+L3

(4)

式中:L为锚索的长度;L1为锚索露出部分的长度,取0.3 m;L2为锚索约束的有效范围,理论上可以根据巷道掘进后产生的二次扰动应力分布特征确定,一般情况下为确保锚索锚固端锚固在稳定的弹性区中,L2应取巷道表面至二次扰动应力区峰值位置;L3为锚索锚固端的长度,一般取2.0 m。

通过数值模拟得到三元煤业1#充填工作面支巷掘出后扰动应力分布云图,如图5所示,图6为相应的巷道顶板扰动应力分布曲线。从图6中可以看出,当巷道沿煤层顶板掘进或沿煤层底板掘进时,巷道顶板应力峰值均出现在顶板上部6 m处。分析原因可知,当巷道沿煤层顶板掘进时,因直接顶厚度较大且岩石强度较低,导致巷道沿煤层顶板掘进和沿煤层底板掘进时巷道顶板扰动应力分布无明显差别。

图5 1#充填工作面顺槽巷道掘出后扰动应力分布云图

图6 1#充填工作面顺槽巷道掘出后扰动应力分布曲线

根据以上数值计算得到的应力扰动区范围,结合式(4),计算得到锚索总长度应不小于L>0.3 m+6 m+2.0 m=8.3 m。

4 工程实践

根据1#充填工作面支巷的具体工程地质条件以及松动破碎区围岩的特征,并结合上面对锚杆、锚索参数的理论推导,确定1#充填工作面支巷采用“锚网索”联合支护方式。

1#充填工作面支巷宽5.0 m,高4.0 m,巷道支护方案如图7所示。

图7 1#充填工作面支巷支护设计方案

三元煤业1#充填工作面支巷平面布置图如图8所示。1#充填工作面支巷平均约316 m。1#充填工作面采用分组跳采,其中支巷命名顺序为1#、5#、9#、13#、17#、21#、25#、29#、33#、37#、41#等,各支巷间距为15 m。

图8 1#充填工作面支巷平面布置图

为准确、详细掌握1#充填工作面支巷掘进过程中的矿压显现规律,从而为后续充填工作面快速掘进提供基础数据,5#支巷采用如下矿压监测方案:支巷开口后2 m设置第1号测站,此后每隔27 m布置一组测站(分别为第2、3、4号测站),最后一组测站距贯通点处2 m(第5号测站)。共计布置5组矿压监测站。每组测站设置1组表面位移监测点、1组顶板离层监测点,1组顶板锚杆(索)受力监测点,1组帮锚杆受力监测点,监测仪器采用在线监测或者电子数显监测。

表1和表2为1#充填工作面5#支巷锚杆锚索受力、顶板离层等监测数据,分析可得如下矿压显现规律:①1#充填工作面5#支巷锚杆锚索受力以及顶板离层总体变化较小,围岩较为稳定;②1#充填工作面回风顺槽136 m处顶板锚杆受力变化较大,增加了约40 kN,顶板浅部位移也有一定程度增大,浅部离层总量为3.6 mm,增大了3 mm。

表1 1#充填工作面5#支巷锚杆锚索受力在线监测结果

表2 1#充填工作面5#支巷顶板离层在线监测结果

5 结论

1)基于三元煤业1#充填工作面支巷的具体条件,采用3DEC模拟软件建立了巷道掘出后的三维数值计算模型,得到以下结论:①支巷巷道顶板最大垂直位移为150 mm,帮部最大水平位移为159 mm;②巷道顶板边角处发生岩层滑移,煤层与下部砂质泥岩交界面发生滑移;巷道两帮及顶底板围岩为塑性区主要分布区,剪切破坏为巷道两帮主要破坏形式,帮部塑性区深度可达1.8 m;③拉伸破坏为巷道顶板主要破坏形式,塑性区范围较小,塑性区域深度达1.7 m;巷道底板为3#煤层,塑性区域深度达2.3 m。塑性区范围较大,导致煤体破碎扩容变形比较强烈,加剧了帮部围岩变形和巷道肩窝变形。

2)针对1#充填工作面支巷的具体工程地质条件,采用数值模拟和理论分析相结合的方法确定了1#充填工作面支巷的支护设计参数。最终确定:锚杆长度为2.4 m,锚杆直径为22 mm,托盘采用面积较大、强度较高的150 mm×150 mm×10 mm的Q235拱型高强度托板;锚杆锚固长度定为1.58 m,锚固剂长度为0.9 m,锚索长度应不小于8.3 m。

3)矿压监测数据表明:①1#充填工作面5#支巷锚杆锚索受力以及顶板离层总体变化较小,围岩较为稳定;②1#充填工作面回风顺槽136 m处顶板锚杆受力变化较大,增加了约40 kN,顶板浅部位移也有一定程度增大,浅部离层总量3.6 mm,增大了3 mm。