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浅埋一次采全高工作面回撤通道合理位置研究

2025-02-13 49 上传者：管理员

摘要：为确定浅埋煤层工作面回撤通道合理位置，以乌兰集团温家塔煤矿为工程背景，综合采用理论分析、数值模拟和工程实测的方法，分析了渐进破坏煤柱的临界失稳宽度，确定了工作面回撤通道保护煤柱的合理宽度。结果表明：工作面超前采动应力影响范围为12.25 m;206工作面回撤通道保护煤柱宽10 m条件下，煤柱中部弹性核区稳定；中长期巷道围岩变形量相比于掘巷稳定期间增大1倍；辅助回撤通道受采动影响，压剪应力导致巷道回采侧底角和大巷侧顶角塑性破坏范围增大。现场实测结果表明，13 m宽的回撤通道保护煤柱巷道维护效果较好，同时提高了工作面资源的采出率。为周边矿井工作面确定合理回撤通道位置提供方法参考。

关键词：
保护煤柱
回撤通道
浅埋煤层
渐进破坏
设计优化
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西部大型现代化矿井中工作面设备的安全快速回撤对于保障矿井产量具有重要意义｡预先掘出回撤通道是当前工作面快速搬家倒面的主要方法[1-3]｡

当前对于预掘巷快速回撤技术进行了大量的研究｡谷拴成等[4]揭示了末采期间主辅回撤通道间隔煤柱与工作面煤柱的载荷转移特征,确定了保护煤柱的合理范围;王方田等[5]通过实验和数值模拟揭示了末采阶段采动应力转移过程,为回撤通道布局

提供了理论依据｡闫帅等[6]建立了末采阶段渐变煤柱承载力学模型,确定了渐变煤柱的临界失稳宽度｡然而,当前对于浅埋煤层工作面回撤通道合理位置的研究还相对缺乏｡本文以温家塔煤矿为例,研究回撤通道的合理位置,分析辅助回撤通道维护特征,为相似矿井提供参考｡

1、工程概况

乌兰集团温家塔煤矿位于内蒙古自治区鄂尔多斯市伊金霍洛旗尔林兔精查区南部,处于神东煤田腹地,当前开采2-2煤,平均埋深130m｡为实现快速､高效地回撤支架,井田东翼工作面开采过程中集中布置了1条辅助回撤通道,巷道西部间隔30m煤柱依次为回风大巷､主运大巷和辅运大巷｡2-2煤在井田东南部发生分叉,分叉区平均煤厚6m,采用一次采全高开采,包括22下208､22下207､22下206和22下205共4个工作面｡以22下207工作面为例,主辅回撤通道分布特征,如图1所示｡工作面开采过程中覆岩结构完整,在稳定的覆岩结构下,需要确定主辅回撤通道间煤柱的合理宽度w1｡

图1一次采全高区域主辅回撤通道分布

工作面回采末期设备安全回撤后,工作面回撤通道封闭使用结束｡东翼工作面辅助回撤通道断面尺寸5m×3.5m,巷道断面为17m2,采用锚网喷支护方式,主要用于安装､回撤设备使用,兼做运输材料､行人通道｡需要在工作面采动影响结束后保持围岩稳定,服务至22下201工作面回采结束｡一次采全高条件下确定合理的回撤通道位置成为了矿井安全生产和提高采出率的迫切需求,因而首先需要确定合理的回撤通道保护煤柱宽度｡

2、工作面回撤通道合理位置分析

根据采动渐变煤柱稳定性计算模型,如图2所示,计算获得温家塔煤矿生产地质条件下渐变煤柱失稳宽度为10.5m｡据此作为主辅回撤通道间煤柱宽度的最小值,最大煤柱宽度按3~5倍的巷道半径取值,确保相邻巷道在自重应力下无明显的相互影响,取上限值约为30m｡为在合理的保护煤柱宽度区间内保障围岩稳定性,同时尽可能提高工作面资源采出率,需要分析不同保护煤柱宽度下的巷道变形损伤特征｡

图2渐变煤柱临界失稳分析模型

工作面回采过程中,末采阶段工作面贯通煤柱的宽度逐渐减小,对应发生应力分布特征的变化｡按贯通煤柱应力的变化规律大致可以分为3个阶段:稳定阶段､应力升高阶段和应力转移阶段｡其中,应力升高和转移均会对回撤通道矿压显现产生影响｡工作面超前支承压力分布影响范围决定着应力升高开始的贯通煤柱宽度｡因此,合理地确定等压位置和加强支护时机均需要先确定工作面超前支承压力影响范围｡

根据工作面围岩应力分布规律(见图3),当工作面贯通煤柱宽度减小至弹性区范围R3时,开始对回撤通道产生影响;煤柱减小至塑性区范围R2时,煤柱内应力达到最大值,需要合理让压;当煤柱宽度小于破坏区范围R1时,煤柱发生破坏,应力发生转移｡

图3工作面超前应力分布规律

根据条件相似､已经开采的22201工作面条件计算工作面煤柱的塑性区宽度(塑性区范围)

工作面超前支承压力对回撤通道影响距离(弹性区范围)

根据工作面顶底板结构和垮落特征,结合采动渐变煤柱稳定性计算模型,为提高资源采出率,所以回撤通道应当尽量靠近辅助回撤通道｡考虑到塑性区宽度和锚杆有效支护空间,回撤通道保护煤柱最小宽度取10m｡确定回撤通道保护煤柱宽度为10~30m｡

3、不同位置回撤通道围岩采动响应特征

根据理论分析结果,结合工程实际,分别选取距离辅助回撤通道10､20､30m的位置分析工作面采动过程围岩响应｡

采用FLAC3D数值模拟软件,以温家塔煤矿东翼22下208工作面开采为模型背景,建立模型尺寸长×宽×高=300m×200m×68m,根据工作面平均埋深130m,模型顶部施加等效载荷1.8MPa,最大水平主应力与回撤通道垂直,按影响最大考虑｡采用摩尔库伦本构模型,数值模型如图4所示,岩体力学参数按照工程经验折减获取(见表1)｡

3.1保护煤柱宽度围岩塑性区响应

主辅回撤通道保护煤柱30m和20m条件下,工作面回采至剩余30m时,保护煤柱单侧塑性区宽分别为2.4m和2.6m,随着工作面继续推进,塑性区发展基本稳定｡随着工作面剩余煤体尺寸的缩减,主回撤通道回采帮塑性区破坏形态由已经发生的剪切破坏转变为正在发生的剪切破坏状态｡主辅回撤通道保护煤柱10m条件下,采动塑性区演化特征,如图5所示｡工作面回采至剩余30m时,保护煤柱塑性区宽2.4m,随着工作面继续推进,塑性区发生扩展,塑性区宽度扩展至3.3m｡随着工作面剩余煤柱宽度的缩减,主回撤通道回采帮塑性区破坏形态由部分拉伸破坏转变为全部剪切破坏｡

图4数值分析模型水平剖面图

表1数值模型煤岩物理力学参数

图5保护煤柱宽10m主辅回撤通道围岩塑性区演化

3.2保护煤柱宽度围岩应力响应

回采贯通工作面回撤通道时,保护煤柱垂直应力明显增大,垂直应力云图,如图6所示｡保护煤柱中部的应力集中核区形态由“贝壳状”逐渐变为“枣核状”,且应力集中程度增大｡煤柱宽30m时应力集中最大区域分布在煤柱两侧,主辅回撤通道应力环境近似对称｡煤柱宽20m和10m状态下工作面回撤通道采空侧发生大变形,应力集中位于采空区压实范围｡

图6主辅回撤通道围岩垂直应力云图

综合而言,厚煤层一次采全高区域主辅回撤通道保护煤柱宽度取10m时,煤柱中部弹性核区稳定,工作面回采过程中可以实现结构的稳定｡通过优化支护和合理让压的方式,可以进一步减小煤柱的边缘塑性破坏区范围｡根据超前采动应力剧烈影响区和煤柱宽度最小的原则,确定一次采全高区域的回撤通道保护煤柱合理宽度为10~15m,采高大于5m时,取偏大值,采高不超过5m时,取偏小值｡

4、辅助回撤通道运维特征模拟分析

考虑到辅助回撤通道的中长期稳定性,结合分叉煤层采高小于5m,选取辅助回撤通道保护煤柱宽13m,数值模拟分析采动过程辅助回撤通道围岩响应特征｡

4.1回撤通道支护数值建模

22下208工作面采高4m,顶板为中硬,岩层采用摩尔-库伦本构模型,参数见表1｡数值模型宽188m,高68m,长300m,如图7所示,选取工作面中部剖面开展巷道围岩采动稳定性数值模拟研究｡工作面回撤巷道支护采用锚杆､钢带､锚索和双层菱形网支护,锚杆支护间排距为1250mm×1250mm,锚索间距5m｡辅助回撤通道支护采用锚喷支护,锚杆间排距同样为1250mm×1250mm｡喷浆层厚度0.05m｡左右帮每排各2根钢锚杆,顶板每排3根钢锚杆,顶板锚索排距5m,回撤通道支护过程中双层菱形金属网采用BEAM构件模拟表征｡

图7辅助回撤通道运维特征分析数值模型

4.2辅助回撤通道运维特征

开采过程中围岩变形特征,如图8所示,根据采动过程围岩变形检测结果可知,巷道掘进至稳定后变形量基本稳定,底鼓量约20mm,顶板下沉量约35mm｡左右煤帮变形基本对称,变形量约50mm｡等到工作面回撤状态下,顶板下沉量､右帮变形量和左帮变形量开始继续增大,变形程度右帮影响大于左帮｡

图8辅助回撤通道围岩变形特征

采动过程围岩塑性区演化:在13m保护煤柱条件下,外加1个工作面回撤通道的宽度,工作面与辅助回撤通道最小间距为18m｡对主回撤通道而言,工作面剩余100~30m时,围岩塑性区变化较小;工作面剩余20m时,回采侧底部尖角处塑性区轻微扩展;工作面剩余10m时,回采侧底部尖角处塑性区进一步扩展至2m;至工作面贯通时采动侧底部尖角处塑性区最深可达3.5m,大巷侧顶部尖角塑性区发育至2m深度｡表明巷道受压剪应力影响,在应力集中较大区域应当加强回采侧底角和大巷侧顶角处的围岩变形监测和控制｡

采动过程围岩变形:初始阶段,工作面剩余100m时,左右帮最大变形量为5cm,右帮略大于左帮,等到工作面贯通回撤通道时,最大变形量仅仅增加了10~20mm｡巷道围岩整体稳定,变形量较小｡考虑到辅助回撤服务时长5a左右,对围岩强度进行弱化处理,采动侧煤帮最大变形量最大,也仅为90mm和110mm｡对巷道的正常使用影响较小｡

综合而言,13m保护煤柱条件下采动过程辅助回撤巷道围岩稳定,变形量增加幅度较小,预计中长期巷道围岩变形量相比于掘巷稳定期增大1倍｡巷道受压剪应力影响,在应力集中较大区域应当加强回采侧底角和大巷侧顶角处的围岩变形监测和控制｡

工程实践中22下208工作面主辅回撤通道间隔煤柱取13m,工作面贯通时,主回撤顶板下沉量大于辅回撤一侧,扰动范围也明显大于辅助回撤一侧｡实测表明,保护煤柱水平变形量采动侧大于回撤侧,回撤侧最大变形约120mm,采动侧最大变形量为190mm｡辅助回撤通道实体煤帮最大水平变形量为100mm｡实现了主辅回撤通道的安全运维,具有较好的技术经济性,兼顾了煤柱的稳定和资源回采率的提高｡

5、结语

(1)温家塔煤矿生产地质条件下渐变煤柱失稳宽度为10.5m,工作面超前支承压力对回撤通道影响距离为12.25m,理论分析确定回撤通道保护煤柱宽度在10~30m｡

(2)主辅回撤通道保护煤柱随宽度变小,采动过程巷道围岩破坏模式发生了改变｡根据超前采动应力剧烈影响区和煤柱宽度最小的原则,确定一次采全高区域的回撤通道保护煤柱宽度合理区间为10~15m,采高大于5m时,取偏大值,采高不超过5m时,取偏小值｡

(3)22下208工作面主辅回撤通道间隔煤柱取13m,实现了主辅回撤通道的安全运维｡预计中长期巷道围岩变形量相比于掘巷稳定期增大1倍｡巷道受压剪应力影响,在应力集中较大区域应当加强回采侧底角和大巷侧顶角处的围岩变形监测和控制｡

参考文献:

[1]王宏伟,项敏,邓志刚,等.预掘双回撤通道稳定性机理及控制技术研究[J].煤炭技术,2024,43(2):23-27.

[2]刘鹏伟.综采工作面末采期间双回撤通道围岩支护技术研究[J].机械管理开发,2024,39(1):252-254.

[3]胡滨.浅埋深中厚煤层预掘回撤通道支护技术研究与应用[J].煤炭技术,2024,43(1):1-4.

[4]谷拴成,王博楠,黄荣宾,等.综采面末采段回撤通道煤柱荷载与宽度确定方法[J].中国矿业大学学报,2015,44(6):990-995.

[5]王方田,邵栋梁,牛滕冲,等.浅埋高强度开采回撤巷道煤柱受载特征及累积损伤机制[J].岩石力学与工程学报,2022,41(6):1148-1159.

[6]闫帅,张栋,柏建彪,等.回撤通道围岩稳定与主被动联控技术研究[J].采矿与安全工程学报,2023,40(4):774-785.

基金资助:国家自然科学基金面上项目(51874281);