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松软厚煤层孤岛工作面回采巷道支护技术研究

2024-12-13 97 上传者：管理员

摘要：受滑动地质构造影响，芦沟煤矿煤层厚度大且极为松软，工作面巷道维护一直十分困难。针对芦沟煤矿21采区孤岛煤柱工作面特殊地质条件，模拟分析了工作面开采后煤柱支承压力的分布规律。模拟结果表明，支承压力峰值位于距采空区边缘11 m处，峰值应力集中系数约1.8;采空区边缘支承压力平均值约为7.23 MPa。从保护巷道角度出发，将孤岛工作面两巷沿采空区边缘布置，设计了孤岛工作面回采巷道高强柔性锚棚支护方案，工作面回采期间巷道围岩变形得到了有效控制。

关键词：
孤岛工作面
巷道支护
松软厚煤层
芦沟煤矿
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孤岛工作面的特殊性决定了在工作面回采过程中其矿山压力显现比一般的工作面要更加剧烈，不仅回采巷道维护十分困难，而且极易诱发次生灾害。刘长友等[1]指出孤岛工作面加长后支承压力峰值系数在初采期间增加，而在正常推进期间降低；张杰等[2]指出该区段煤柱宽度小于12 m时，巷道变形量骤然增大，煤柱弹性区急剧缩小，塑性区占比增大，且超过区段煤柱宽度的60%;任建峰等[3]指出孤岛工作面会在两侧围岩形成"马鞍形"应力集中区，该区影响范围随巷道埋深增大而增大。国内外众多学者已经从孤岛工作面围岩支承压力分布规律[4-5]、护巷煤柱留设尺寸[6-9]和巷道支护技术[10-12]等方面开展了大量研究工作，但对“三软”厚煤层条件下孤岛工作面围岩控制理论与技术研究较少。因此，以芦沟煤矿松软厚煤层地质条件下的孤岛工作面为工程背景，来研究其相关围岩控制技术的实施效果。

1、工程背景

芦沟煤矿位于河南省郑州市境内，核定生产能力0.6 Mt/a。矿井受豫西地区滑动地质构造影响，井田内山西组二1煤层原生结构遭受严重破坏，煤层结构松散破碎，煤体单轴抗压强度仅0.36 MPa, 而且煤层厚度普遍在6～8 m以上，是典型的“三软”厚煤层。

近年来，随着芦沟煤矿资源开采力度不断加大，21采区煤炭资源已濒临枯竭。为延续矿井服务年限，提高煤炭资源回收率，矿井决定对21采区下山孤岛煤柱进行回收。

芦沟煤矿21采区孤岛工作面埋深280～360 m, 工作面推进长度680 m, 工作面煤层赋存极不稳定，煤层厚度在3.0～16.5 m之间，平均厚度9.5 m; 煤层倾角在5°～20°之间，平均倾角13°。对于孤岛工作面，周围工作面开采后形成的永久支承压力是影响巷道围岩稳定的重要因素，尤其是对于沿空掘进巷道而言，一旦巷道位置选择不当，在叠加支承压力作用下，巷道维护将十分困难。

2、孤岛工作面回采巷道位置选择

为研究支承压力对孤岛工作面回采巷道围岩稳定性的影响，合理优化孤岛工作面巷道布置，根据芦沟煤矿地质条件，建立FLAC3D数值计算模型，对两侧工作面开采后煤柱内的支承压力分布规律进行模拟分析。

两侧工作面开采后煤柱边缘30 m范围内的垂直应力分布状况如图1所示，由图可见，周围工作面开采结束后，在距采空区边缘0～6.5 m范围内，孤岛煤柱承受的支承压力在6～8.82 MPa之间，支承压力分布整体较为稳定，垂直应力平均值约7.23 MPa, 略低于原岩应力。这与一般的中厚煤层工作面和大采高一次采全高工作面开采后的支承压力从边缘开始线性增加的分布形态明显不同。结合芦沟煤矿工作面回采设计，造成这一现象的原因在于芦沟煤矿为降低厚煤层工作面撤架通道维护难度，21下山采区两侧综放工作面在末采期间逐渐由煤层下部过渡至中上部，通常在工作面停采线附近有约5～8 m的底煤未进行回采，这使得该区域内垮落带的高度大幅度降低。

图1 煤柱支承压力分布曲线

随着与采空区边缘距离的增大，孤岛煤柱内的垂直应力开始呈现线性增加趋势，并在距离采空区边缘约11.0 m处达到峰值，峰值应力16.20 MPa, 应力集中系数约为1.80。此后，随着与采空区边缘距离的继续增大，煤柱内的垂直应力呈非线性降低趋势，并逐步降低至原岩应力。

根据已有的研究成果，孤岛工作面大多采用沿空掘巷技术，煤柱净宽度一般取5～8m。结合芦沟煤矿工作面设计，顺槽净宽度5.0m, 采用常规的窄煤柱沿空掘巷设计，恰好将顺槽置于支承压力峰值区域附近，对巷道围岩控制十分不利。根据上述模拟分析结果和芦沟煤矿21采区工作面布置的实际情况，将孤岛工作面回采巷道沿采空区边缘布置，一方面巷道两帮实质上均为实体煤，另一方面，巷道完全处于原岩应力区和低应力区，应力环境十分有利。此外，这种布置方式相对于窄煤柱沿空掘巷，可以多回收煤炭约12万t。综合技术、经济对比后，21采区孤岛工作面两巷均沿采空区的边缘布置最为有利。

3、孤岛工作面巷道稳定性影响因素

结合芦沟煤矿21采区孤岛工作面地质条件，对巷道稳定影响较大的主要因素如下。

3.1 特殊岩层结构

结合图2所示的矿井综合柱状图可知，从空间上看二1煤层最为软弱，直接顶、底板为较软弱的砂质泥岩，基本顶和基本底为坚硬的砂岩、石灰岩，这样就在空间上形成了典型的“强-弱-强”岩层结构。尽管将回采巷道沿采空区边缘布置有利于巷道维护，但由于二1煤层单轴抗压强度不足0.2 MPa, 巷道所处的应力水平仍远远高于煤体强度。一旦巷道支护强度不足，工作面超前支承压力在沿上覆岩层向下传递过程中，松软煤层和底板极易出现挤压流动变形。

图2 工作面综合柱状

3.2 巷道支护强度

以往芦沟煤矿煤巷主要采用U型钢棚支护，在高应力作用下，巷道容易出现以下2种较为典型的破坏形式。

由于郑州矿区二1煤层厚度变化较大，赋存极不稳定，在回采巷道掘进过程中往往难以完全跟底掘进，部分地段的底煤厚度甚至达到了10 m以上。当巷道底煤厚度较大时，巷道围岩变形压力作用与支架顶梁后，U型钢支架柱腿开始逐渐钻入底板，由于支架钻底的同时能带动整个支架让压，在这个过程中支架顶梁与柱腿搭接处卡缆滑移并不明显。同时，支架柱腿钻底后，底板煤体对棚腿内移约束力增大，巷道两帮内移速度远小于顶底板下沉量。由于这期间支架不断让压，造成巷道顶板离层范围扩大，同时导致松软煤体产生较大塑性变形，此时一旦支架脚板接触底板岩石，支架钻底量就会明显减小，作用于支架顶梁上的载荷增大，造成顶梁开始严重下滑，并最终造成卡缆崩断支架“张嘴”,支架承载能力急剧丧失。

当巷道沿煤层底板掘进时，巷道底板岩石强度较高，支架不易钻底或钻底量较小。这种条件下对常用的直腿半圆拱形支架而言，底板岩体约束支架柱腿内移能力较差，在高应力作用下支架两帮首先失稳、破坏并不断内移，支架顶梁在顶板压力作用下也向下滑动，当下滑量达到一定程度时会导致支架顶梁折断或支架卡缆崩断造成搭接处“张嘴”,从而导致支架承载能力急剧丧失。

4、孤岛工作面巷道支护技术方案

21煤柱面属于典型的“孤岛”工作面，工作面回采期间矿压显现异常强烈。对于这种高应力极软煤巷，控制巷道围岩变形的关键在于发挥软弱围岩的自承载能力。根据郑州矿区“三软”煤巷锚网支护实践经验，采用高强预应力锚杆索支护能够较好地控制实体煤巷围岩变形。但对孤岛工作面而言，采用常规的锚杆索支护仍难以有效控制巷道围岩变形。主要原因如下。

4.1 锚杆提供预应力不足

郑州矿区普遍使用的ϕ20 mm左旋无纵筋螺纹钢锚杆(钢材牌号BHRB335),实测杆体抗拉强度560 MPa, 屈服强度345 MPa, 杆体最大力平均值177.5 kN,最大力总伸长率17.1%。按目前《郑州矿区“三软”煤巷锚网支护技术规定》要求，煤巷锚杆安装预紧力不低于200 N·m, 折算为锚杆的平均轴向拉力约26.3 kN。以锚杆间排距750 mm×750 mm计算，锚杆预应力提供的围压仅0.05 MPa。对于多次扩修的再生煤体，锚杆提供的围压不足以抑制煤体离层。

4.2 常规锚索延伸率不足

对于高应力极软煤巷而言，主动支护不仅需要提供较高的支护阻力，而且应当具备适应围岩强烈变形的能力。目前，郑州矿区普遍使用的直径ϕ15.24 mm、ϕ17.8 mm和ϕ18.9mm-1×7钢绞线延伸率仅3.1%,难以适应孤岛强采动影响巷道围岩变形。

结合芦沟煤矿21采区孤岛工作面地质条件，设计高强柔性锚索棚支护技术方案如下。

锚索规格为ϕ21.8 mm×3 250 mm, 间排距900 mm×800 mm, 拱部每根锚索使用1支K2350和1支Z2350树脂锚固剂，帮部可根据锚索搅拌安装难度选择，安装难度较大时可采用1支Z2370树脂锚固剂。锚索托板采用废旧U型钢压制而成，规格尺寸不小于300 mm×280 mm。锚索安装预紧力不低于120 kN。

使用黑色硬质塑料网和经纬网护表，要求网片搭接长度不小于100 mm(网与网压茬处必须在钢筋梯子梁位置),经纬网和硬质塑料网使用14#以上双股铁丝扭接连网，连网不超过间距300 mm。

沿巷道周向敷设钢筋梯，顶、帮钢筋梯由14 mm圆钢(钢材牌号A3)加工，顶板钢筋梯规格为4 500 mm×70 mm, 帮部钢筋体规格为2 800 mm×70 mm。高强度性锚棚支护断面A如图3所示。

图3 高强柔性锚棚支护断面A

架设U29型钢防护性支架，支架棚距800 mm。柱窝深度200 mm, 梁腿搭接450 mm, 铁拉杆每棚3套，卡缆每帮各3套，上卡缆上沿与柱腿上沿平齐，下卡缆下沿与梁下沿平齐，螺栓与卡缆必须吻合对槽。腿下站木鞋(煤底垫木鞋、碴底不垫木鞋),木鞋规格300 mm×200 mm×100 mm。

为保障巷道顶板安全，在巷道顶板交替布置B断面进行补强支护，B断面锚索间距900 mm, 排距1 600 mm。当遇巷道煤层煤厚度变化时，可根据条件及时调整锚索长度。高强度性锚棚支护断面B如图4所示。

图4 高强柔性锚棚支护断面B

巷道围岩变形观测曲线如图5所示，采用高强柔性锚棚支护后，在工作面回采形成的超前支承压力影响期间，巷道变形呈全断面整体收缩状态，巷道两帮最大移近量为308 mm, 顶底板最大移近量为383 mm, 巷道断面能够满足安全生产需求，工作面两巷无需扩修。

5、结语

依据芦沟煤矿21孤岛煤柱工作面地质条件，采用理论分析和数值模拟方法，研究了孤岛煤柱支承压力分布规律、回采巷道位置和巷道支护方式，得到主要研究结论如下。

(1)相邻工作面开采后，21采区煤柱内峰值应力16.20 MPa, 应力集中系数约为1.80。

(2)结合芦沟煤矿孤岛工作面地质条件，将孤岛工作面回采巷道沿采空区边缘布置最为有利。

(3)采用锚棚支护既能够发挥锚索主动支护的作用，又能够发挥U型钢支架的护表性能。