1、立項原因:
隨著煤炭日益開采,煤炭資源在日益減少,為了節(jié)約煤炭資源提高回采率,小煤柱巷道掘進技術(shù)將逐漸被廣泛使用。過去巷道布置時為躲避壓力,留設(shè)大煤柱,巷道煤柱寬度一般在15米以上,但掘進過程中有時還是會收到壓力影響而采取加強支護,造成資源的極大損失;小煤柱巷道掘進技術(shù)解決了巷道保護煤柱的浪費,同時掘進過程中在壓力集中區(qū)域提前采取加強支護,避免了后期補強支護的麻煩,尤其時多重壓力影響下的小煤柱巷道掘進。
受動壓開采影響,掘進巷道的變形特征呈現(xiàn)出復(fù)合特征。主要有三個特征:
1)掘進開始階段變形速率大
受動壓開采影響使得煤巖體中聚集了很高的彈性能量,而且由于巷道掘進后會產(chǎn)生載荷卸載的作用,這將導(dǎo)致所儲存的彈性能量較快地釋放出來,最終引起巷道剛掘出時產(chǎn)生很大的變形速率。
2)變形量大,返修率高
研究表明,受動壓開采影響巷道變形量可達500mm-800mm(若沒有合理的進行支護,巷道圍巖的變形量可達到1000mm)。隨之而來的是巷道的返修率能達到40%-80%。
3)普通的支護不能控制巷道的變形
動壓開采影響下掘進小煤柱巷道,巷道圍巖變形更為劇烈,破壞程度也更加嚴(yán)重。這就要求選擇合理的支護材料、支護方式來控制掘進巷道的變形,降低巷道維護穩(wěn)定的費用。
2、成果內(nèi)容:
1工程概況及地質(zhì)條件
1.1工程概況
12#層307盤區(qū)5737巷沿12-1#與12-2#合并煤層掘進,該巷井下位置北起12#層307盤區(qū)巷,南到后所溝村保護煤柱,西面為12#層8735面(未開采),東面12#層8739面(正采);12#層5737巷與相鄰12#層2739巷留設(shè)5米保護煤柱,掘進過程中受同層相鄰的12#層307盤區(qū)8739工作面回采動壓影響,同時還受上覆保護煤柱壓力影響且層間距最低為3.3米。
具體布置如圖1所示
圖1 12#層307盤區(qū)5737巷平面布置圖
1.2地質(zhì)條件
12#層307盤區(qū)5737巷設(shè)計長度467米,煤層北高南低的單斜構(gòu)造,煤層厚度為1.93米~2.3米,平均2.12米。煤層傾角平均3°,與上覆11#層層間距為3.3~13.65米,平均層間距8.18米;本巷掘至23米進入上覆為11#2739空巷,預(yù)計掘進至63米進入上覆11#層8739面采空區(qū),掘進至342米出上覆11#層采空區(qū),進入上覆11#層實煤壓力區(qū),447米出上覆11#層實煤區(qū),進入11#層8739面采空區(qū)。
2 多重壓力影響下極近距離小煤柱巷道掘進技術(shù)理論方案確定
2.1巷道位置的選擇
煤層開采過程破壞了原巖應(yīng)力的平衡狀態(tài),引起應(yīng)力重新分布。由于支撐壓力的影響,可分為應(yīng)力降低區(qū)、應(yīng)力增高區(qū)、原巖應(yīng)力區(qū)。因此,可能的掘巷位置有四種:[1]1無煤柱完全沿空掘巷;2應(yīng)力降低區(qū)留小煤柱掘巷;3應(yīng)力增高區(qū)留較大煤柱掘巷;4原巖應(yīng)力區(qū)留大煤柱護巷。根據(jù)壓力分布及現(xiàn)場施工經(jīng)驗分析,在應(yīng)力降低區(qū)留小煤柱掘巷方案不僅使巷道處于應(yīng)力降低區(qū),維護容易,且能有效的防止采空區(qū)漏風(fēng),避免采空區(qū)積水和有害氣體的涌出。因此,理論上動壓開采期間留小煤柱掘巷方案最為可行。
2.2巷道支護方案的選擇
根據(jù)四臺礦《12#層307盤區(qū)5737巷掘進地質(zhì)說明書》中提供的煤層頂、底板情況分析,12#層307盤區(qū)5737巷道頂板直接頂為粉細(xì)砂巖互層,平均厚度達8m,老頂為細(xì)砂巖,適合錨桿+錨索鋼梁支護。為了將錨桿加固的“組合梁”懸掛于堅硬巖層中,需用錨索做聯(lián)合支護。即初步確定5737巷采用矩形斷面,錨桿+長鋼帶+錨索+長鋼梁+金屬網(wǎng)聯(lián)合支護。
3 多重壓力影響下極近距離小煤柱巷道壓力分析
3.1壓力來源
12#層5737巷壓力來源主要受上覆11#層8739面采空區(qū)和11#層8737面采空區(qū)中間保護煤柱壓力與同層12#層8739面回采動壓多重壓力影響。
3.2多重壓力分析
1)上覆煤柱壓力分析
根據(jù)壓力分析及現(xiàn)狀評價12#層5737巷屬于雙側(cè)上覆采空區(qū)類型,受中間保護煤柱壓力影響,保護煤柱寬度越窄,應(yīng)力峰值就越大且比較集中,上覆壓力傳遞至巷右?guī)烷_始釋放,巷內(nèi)壓力顯現(xiàn)體現(xiàn)在右?guī)驼◣蛧?yán)重,頂板破碎。
2)回采動壓分析
12#層5737巷回采動壓來源于同層12#層8739面回采壓力影響,根據(jù)圖示及現(xiàn)場壓力顯現(xiàn)情況分析,12#層5737巷屬于一側(cè)回采同層保護煤柱類型,巷道圍巖處于彈性變形,應(yīng)力分布如右上圖所示,通過計算,巷道處于煤柱的承載能力與支撐壓力平衡狀態(tài)中;隨著12#層8739面后古塘塌落,壓力得到釋放,12#層5737巷受到的壓力影響較小,巷內(nèi)無明顯壓力顯現(xiàn)。
壓力分析如圖2所示
圖2 12#層307盤區(qū)5737巷多重壓力分析
4 多重壓力影響下極近距離小煤柱巷道現(xiàn)場實踐方案
4.1巷道支護方案的設(shè)計
根據(jù)相鄰巷道礦壓觀測數(shù)據(jù)及支護經(jīng)驗分析,以及錨桿懸吊理論計算驗算,確定12#層5737巷設(shè)計為矩形斷面,巷道頂板采用錨桿+長鋼帶+錨索+長鋼梁+金屬網(wǎng)聯(lián)合支護,巷道兩幫采用錨桿+預(yù)應(yīng)力墊片+菱形金屬網(wǎng)支護。
進入11#層8739采空區(qū)前:錨桿布置五排,排間距750×1000mm, 使用φ18×1800 mm左旋無縱筋螺紋鋼錨桿配合長鋼帶與預(yù)應(yīng)力墊片;錨索布置三排,排間距1400×2000mm,兩端錨索斜拉65度,使用φ17.6×6000㎜的鋼絞線配套3.2米長鋼梁支護。幫錨桿間距壓縮為1000×1000mm,左右?guī)湾^桿布置為三排,上端錨桿與下端錨桿斜拉15度;
進入采空區(qū)后,要隨時掌握與11#層采空區(qū)層間距,并根據(jù)層間距大小變化調(diào)整支護方案。
支護設(shè)計如圖3所示
圖3 12#層307盤區(qū)5737巷進入采空區(qū)前支護斷面圖
4.2與相鄰?fù)瑢?/span>12#層8739面采掘交鋒期間處理方案
12#層5737巷與12#層8739面保護煤柱為5米,為保證12#層8739工作面回采期間頭巷后古塘能及時垮落釋放壓力,減小對12#層5737巷的回采動壓影響,決定在12#層8739面2739巷施工切頂眼。施工切頂眼距煤柱幫0.2米;角度垂直布置;切頂眼施工間距0.3米;施工眼深5.3米,眼深比層間距小1.0米;施工長度為12#層5737巷與12#層8739面采掘交鋒前后50米,施工切頂眼要保證切頂眼成一條直線,根據(jù)施工位置,施工期間使用線繩進行測量,保證切頂眼成一條直線。
如圖4所示
圖4 12#層5737巷與12#層8739面采掘交鋒施工切頂眼示意圖
5 12#層5737巷現(xiàn)場應(yīng)用效果
5737巷掘進期間經(jīng)過100d礦壓觀測,巷道兩幫移近量150mm,頂?shù)装逑鄬σ平?00mm,巷道基本沒有發(fā)生變形。所以51022巷受動壓開采及小煤柱雙重壓力影響,但在護幫對穿錨索、切頂眼及巷道支護綜合作用下,頂、底、幫的維護難的問題得到了有效的控制,有效的降低了巷道片幫冒頂現(xiàn)象發(fā)生的概率,對人員的安全有保證。現(xiàn)場如圖5所示。
圖5 12#層5737巷現(xiàn)場照片
3、創(chuàng)新點:
3.1、動壓開采影響下,巷道過采掘交鋒應(yīng)力集中區(qū)域的頂、底、幫的維護難的問題得到了有效的控制。
3.2、有效的降低了巷道片幫冒頂現(xiàn)象發(fā)生的概率,對人員的安全有保證。
3.3、有效的控制了巷道垂直應(yīng)力及水平應(yīng)力的顯現(xiàn),
3.4、通過該特種支護工藝使得在巷道周圍形成了穩(wěn)固拱,穩(wěn)固了巷道的成型,降低了巷道后期維護的工作量。
4、社會效益:
小煤柱巷道掘進技術(shù)在我礦已成功應(yīng)用,而在受多重壓力影響下的12#層307盤區(qū)5737巷也已順利完成,證明小煤柱巷道掘進技術(shù)在我礦已成熟,為日后研究新的方向奠定了堅實的基礎(chǔ)。節(jié)約煤炭資源提高回采率,5737巷小煤柱掘進可以為本礦多回采出5萬噸煤,直接經(jīng)濟效益240萬,小煤柱巷道掘進技術(shù)將逐漸被廣泛使用,提高了掘進速度及成巷率,保證安全生產(chǎn)。
多重壓力影響下極近距離小煤柱巷道掘進技術(shù)
經(jīng)濟社會效益證明
受多重壓力影響下的12#層307盤區(qū)5737巷順利施工完成,為我礦多回采出5萬噸煤,直接經(jīng)濟效益240萬,創(chuàng)造了巨大的經(jīng)濟效益。這種巷道掘進技術(shù)的應(yīng)用,有效的防止礦壓顯現(xiàn)造成的頂板下沉、兩幫炸幫嚴(yán)重、底板鼓起等現(xiàn)象,給巷道維護及后期采煤創(chuàng)造了良好的條件,加快了安全生產(chǎn)了,有效的提高了掘進速度及成巷率,為該盤區(qū)的準(zhǔn)備工作節(jié)余了很多時間。
通過該特種支護工藝使得在巷道周圍形成了穩(wěn)固拱,穩(wěn)固了巷道的成型,降低了巷道后期維護的工作量。動壓開采影響下,巷道過采掘交鋒應(yīng)力集中區(qū)域的頂、底、幫的維護難的問題得到了有效的控制;有效的降低了巷道片幫冒頂現(xiàn)象發(fā)生的概率,對人員的安全有保證;有效的控制了巷道垂直應(yīng)力及水平應(yīng)力的顯現(xiàn)。