首页 > 论文范文 > 工程工业论文 > 工程综合论文 > 矿业工程论文 > 挖金湾矿小煤柱沿空掘巷底鼓变形特征及控制技术研究

挖金湾矿小煤柱沿空掘巷底鼓变形特征及控制技术研究

2024-06-12 45 上传者：管理员

摘要：为保障挖金湾矿窄煤柱沿空掘巷围岩控制效果，以8106综采工作面为试验面，运用数值模拟、现场实测等手段，进行矿井传统煤巷支护条件下沿空掘巷围岩变形特征分析研究，提出针对性支护措施。研究表明：巷道在服务期间底鼓变形严重，设计增加底板锚杆进行支护，确定底板锚杆合理长度2.4 m、最佳施工角度30°,应用实践表明，底鼓控制效果达到60%以上时，所设计方案合理有效。为挖金湾矿小煤柱沿空掘巷支护提供可靠参考。

关键词：
小煤柱
底鼓
挖金湾矿
数值模拟
锚杆
加入收藏

1、工程地质条件

挖金湾煤业公司山4号层一盘区8106工作面地面相对位置位于邵家沟北部、相对地表无房屋及其他建筑。工作面煤层厚度在 3.53 m左右，均含3层夹石(0.10～0.20 m),煤层计算厚度3.05～3.92 m, 平均3.53 m, 煤厚变化稳定。山4号一盘区8106工作面为两巷布置的“U”型工作面，两条巷道与南翼盘区主要大巷的夹角为90°,向正西开掘。2106胶带巷、5106辅助运输巷沿山4号煤层顶底板掘进，巷道高度均为3.5 m.工作面巷道大致沿煤层倾向布置，切巷沿煤层走向布置。8106工作面采用后退式单一长壁大冒顶法开采。5106辅助运输巷位于一盘区东部，巷道平均埋深约500 m, 其西侧为8104工作面，于2020年6月已开采完毕，为提高采出率，设计5106辅助运输巷与采空区间煤柱宽度为6.0 m, 为保障巷道掘进安全及效率，对其支护方式展开相关研究。

2、5106辅助运输巷原支护

5106辅助运输巷与8104工作面采空区间隔6 m小煤柱掘进，详细参数如下：①顶板支护：采用锚杆规格为Φ20 mm×2 000 mm螺纹钢锚杆，配2支锚固剂，1支为K2335,另外1支为Z2360,锚杆间排距为980 mm×1 100 mm.锚固力不小于80 kN.预紧力达到200 kN·m.锚索规格为Φ17.8 mm×6 000 mm, 间、排距均为1 600 mm×2 200 mm; 每根锚索均配3支锚固剂，1支为K2335,另外2支为Z2360,锚固力不小于120 kN.②护帮支护：帮支护锚杆规格为Φ20 mm×2 000 mm左旋无纵螺纹钢锚杆，配2支锚固剂，1支K2335型，1支Z2360型，用力矩扳手拧紧螺帽，预紧力达到200 kN.W短节钢带450 mm×220 mm×3 mm及托盘110 mm×110 mm×10 mm, 帮网使用菱形金属网Φ4 mm×80 mm×80 mm.间排距1 100 mm×1 100 mm, 塑钢托盘Φ200 mm×50 mm, 塑钢网Φ4 mm×50 mm×50 mm.

图1 5106巷道断面图(单位：mm)

3、小煤柱掘巷围岩稳定性模拟分析

3.1 建立数值模型

挖金湾矿回采工作面间区段煤柱宽度为25～30 m, 5106辅助运输巷为挖金湾矿首个小煤柱沿空掘巷，为探究现有支护条件下工作面开采扰动影响下巷道矿压显现规律，借助FLAC3D软件进行8106工作面开采过程的模拟[1,2],模型X轴、Y轴方向分别为煤层的倾斜方向、走向方向，设计模型X轴方向长400 m、Y轴方向宽300 m, 本次模型的岩层共分为12层，各煤岩层具体参数如表1所示。模型顶部未建立的岩层总厚度约480 m, 顶部自由边界施加10.95 MPa的压应力，模型四周边界施加5.62 MPa初始水平应力，所建模型如图2所示。

表1 挖金湾矿8106工作面顶底板主要岩层力学参数

图2 数值模型及开挖方案

3.2 巷道变形特征分析

模拟时，首先对8104工作面进行开挖，待计算平衡观测采空区右侧边界煤层内支承压力，得到采空区边界处煤层内支承压力横向分布规律，如图3(a)所示。分析可知，邻近采空区的煤岩层内，随着与采空区距离的增大，其支承压力呈先增大后减小并稳定的趋势，出现应力集中现象，在距采空区约14 m处应力达到最大值21 MPa, 在距采空区0～8 m范围内支承应力小于原岩应力(11.9 MPa),将沿空巷道布置在该区域可极大程度改善巷道应力情况[2],说明5106辅助运输巷留设6 m小煤柱合理。

5106辅助运输巷道与8104采空区间隔6 m煤柱掘进，支护参数如前文所述，根据模拟计算结果表明，掘巷阶段巷道围岩控制效果较好，无明显的过度变形；在8106工作面开采期间，观测5106辅助运输巷表面变形规律，工作面开采100 m时，前方巷道表面变形量变化规律如图3(b)、图3(c)所示，分析可知，在工作面开采扰动影响下，矿压显现主要以顶底板移近变形为主，底鼓量占顶底板移近量的80%以上，以工作面端头处为例，底板底鼓量达到598 mm, 顶板下沉量为98 mm, 顶板下沉及两帮移近变形程度较轻微，预计不会影响巷道正常使用，但底板底鼓变形量过大，将严重影响巷道的运输、行人，需采取适当的治理措施。

图3 数值模拟结果

4、沿空掘巷底鼓控制技术与实践应用

4.1 底角锚杆合理支护参数研究

根据5106辅助运输巷底鼓变形可知，该巷道属于挤压流动性底鼓和挠曲褶皱型底鼓综合型[3,4],设计采用加强支护的方法进行治理。考虑巷道原有支护顶板及两帮控制效果较好、支护强度较高，为了取得较好的治理效果，设计采用锚杆进行底板的加强支护，底板锚杆的排距与原顶板、两帮支护同为1 100 mm, 每排2根底角锚杆间距4.7 m.为确定底板锚杆的最佳布置参数，采用FLAC软件进行模拟分析，采用控制变量法进行底角锚杆施工角度、长度等参数的分析，在原支护参数的基础上增加底板锚杆，设计锚杆与水平方向角度分别为20°～60°,锚杆长度为2.0～2.6 m, 以超前回采工作面5 m处巷道为例，根据数值模拟计算结果得到锚杆角度、长度对于巷道变形量影响规律如图4所示。

图4 底板锚杆合理布置参数模拟分析

根据图4(a)所示结果分析可知，增加底板锚杆后，巷道顶板和两帮变形量相较原支护条件下无明显差异，而底板底鼓量均显著降低，当底板锚杆与水平方向呈30°角度布置时，底鼓量最小为234.83 mm, 较无支护条件下减小47.6%,说明30°底角锚杆对于底鼓控制效果最好。根据图4(b)所示结果分析可知，在底角锚杆最佳安装角度30°的基础上，随着锚杆长度的增大底板底鼓量逐渐减小，锚杆长度越大对于底鼓的治理效果越明显，当锚杆长度达到2.6 m时，底鼓量相对于2.4 m锚杆条件下仅下降3%,同时考虑施工材料经济性，确定底板锚杆最佳长度为2.4 m.

4.2 底角锚杆控制底鼓技术应用

结合上述数值模拟研究及分析结果，挖金湾矿8106工作面开采前进行5106辅助运输巷底板补强支护施工，锚杆采用Ф22 mm×2 400 mmBHR500 螺纹钢锚杆，底板锚杆与帮部距离400 mm, 施工角度30°,预紧力300 N·m.在8106工作面开采期间，采用“十字交叉法”监测5106辅助运输巷变形量，以距离工作面切眼300 m处的测点为例，整理得到表面位移量变化规律如图5所示。可以看出，测站距离工作面100 m以上时，围岩变形量很小，基本不受工作面开采影响；测站距工作面100～40 m期间，围岩变形量开始缓慢增大，受到一定程度的开采扰动；距工作面40 m范围内的巷道围岩变形快速增大，顶底板移近量快速增大至328 mm左右，其中顶板下沉量76 mm, 底鼓252 mm, 两帮移近量增大至394 mm左右，其中窄煤柱帮208 mm, 开采帮186 mm, 围岩总体变形量与前文数值模拟基本一致，总体变形较均匀，底鼓控制效果达到60%以上，实践应用效果较理想。

图5 巷道表面变形量监测结果

5、结语

文章以挖金湾矿5106辅助运输巷应用窄煤柱沿空掘巷为背景，借助数值模拟手段进行巷道应力场和位移场的研究分析，结果表明，距离邻近采空区0～8 m范围内为应力降低区，5106辅助运输巷设计留设6 m小煤柱较合理，在矿井传统煤巷锚网索支护条件下，巷道服务期间底板底鼓变形严重。设计增加底板锚杆来抑制底鼓破坏，理论分析研究确定底板锚索最佳施工角度30°、最佳长度2.4 m, 实践阶段矿压监测表明，底鼓控制效果达到60%以上，治理效果较理想。为挖金湾矿小煤柱沿空掘巷支护提供了可行方案。

参考文献:

[1]尚二花,叶海陇.15203工作面沿空掘巷窄煤柱合理宽度研究及应用[J].能源与节能,2023(3):180-184.

[2]马祥,张德兵,王业征,等.窄煤柱沿空掘巷技术关键参数的研究与应用[J].能源与节能,2023(3):185-188.

[3]曹海彬.窄煤柱沿空掘巷技术关键参数研究与应用[J].煤,2022,31(9):58-60,64.

[4]马岩意.沿空掘巷窄煤柱宽度与围岩控制技术研究[J].山东煤炭科技,2022,40(5):55-57,60.

文章来源:张承鹏.挖金湾矿小煤柱沿空掘巷底鼓变形特征及控制技术研究[J].煤,2024,33(06):42-45.