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“刀把式”综采工作面巷道煤柱宽度留设及加固

2024-08-14 118 上传者：管理员

摘要：为解决刀把式综采工作面在临近拐巷时留设的巷道煤柱结构失稳破坏，通过对留设煤柱距离、顶底板垂直应力分布特征及变化规律的模拟分析，结合理论值计算，得出最小距离安全煤柱宽度不小于10 m；利用注浆钻孔对煤体和顶板进行有效加固，控制工作面顺槽巷道顶帮和底鼓移近量均小于200 mm，对顺槽巷道变形起到较好控制作用。

关键词：
“刀把式”工作面
巷道支护
应力分布
煤柱加固
煤炭资源
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为有效提高煤炭资源回收率，根据巷道布置与煤层赋存产状，可将工作面布置成斜长不一致的两部分回采，俗称“刀把式”工作面。这样布置的采面一般回采方向相互垂直，或呈一定锐角回采，以便于后期转移拆装切眼支架和满足通风要求。当里段工作面临近末采时顶板动压向外传递，采动压力作用于外段采面一侧顺槽，导致巷道变形严重，断面缩小，造成局部风阻增大，不利于后期行人运输和通风管理，且动压叠加效应导致顶板破碎断裂，使巷道原有支护破坏，增大冒顶事故风险[1-2]。因此，如何确定外段顺槽保护煤柱尺寸，控制巷道变形，对工作面安全生产具有重要意义。

1、工作面概况

大峪煤业有限公司经兼并重组后矿井设计生产能力为0.30 Mt/a。矿井保有可采储量为43.44 Mt，主采15号煤层，平均煤厚4.89 m，煤层倾角8°～13°，平均4°，煤层结构简单，含有1～3层夹矸，平均厚度0.4 m，多为含有黄铁矿结核的未发育完全炭质泥岩夹层。经瓦斯等级鉴定该矿井为低瓦斯矿井，瓦斯绝对涌出量为0.21 m3/min，二氧化碳绝对涌出量0.31 m3/min；煤尘具有爆炸危险性，属于Ⅱ类自燃煤层。15号煤层伪顶为砂质泥岩，直接顶为K2石灰岩，局部含燧石灰岩；直接底为泥岩，老底为细砂岩。煤层硬度系数为1.2～2.1，视（相对）密度为1.46 t/m3。煤层顶底板岩性特征描述如表1所示。

表1 15号煤层顶底板岩性特征

西101工作面位于矿井西翼一采区，工作面呈“刀把型”布置，北邻西辅运大巷与胶带大巷，南部、西部为实体煤未采区，东部紧邻集中运输巷、回风巷和西103工作面采空区。西101工作面主要布置巷道有西101切眼（二段），设计长度118.6 m，西101辅运顺槽（二段），设计长度129.5 m，西101进风联络巷（249.4 m），西101辅运顺槽（一段），设计长度234.6 m，西翼措施巷（227.9 m），巷道设计规格为矩形断面，宽5 m，高3.5 m。其中二段工作面回采至西101辅运顺槽（一段）附近时，会对巷道产生动压影响，加速巷道变形，但考虑到后期转移切眼支架为西101工作面（一段）回采做准备，需要对西101辅运顺槽（一段）进行留设窄煤柱辅助支护，待一段工作面开始回采后再进行采空区顶板垮落管理。工作面巷道布置如图1所示。

图1 西101工作面巷道布置设计

2、顶板应力分布规律与变化特征分析

2.1 数值模拟

西101辅运顺槽（一段）在掘进期间已对煤体结构产生一定程度的破坏，导致原始煤体和顶板应力重新分布，且西101工作面（二段）在回采期间动压向外传递，顶板应力始终处于动态变化中。当采面采空区顶板垮落断裂后，叠加应力可能导致回采煤壁前方顶板提前产生断裂，随着工作面距离西101辅运顺槽（一段）巷道越来越近，留设的煤柱压力随之增大，西101辅运顺槽（一段）出现顶帮鼓包、顶底板移近量增大等现象，不利于巷道维护。结合煤层顶底板岩性特征与工作面推进度，建立模型，计算出煤柱顶板垂直方向上应力分布规律如图2所示。

图2 垂直方向应力分布规律数值模拟

2.2 应力变化规律特征分析

由图2分析可知：当里段工作面开始向外回采时，回采煤层与西101辅运顺槽（一段）顺槽顶底板垂直方向应力分布相对平衡均匀，压力普遍较小，呈现对称分布特征，压力值在4～5 MPa左右；顺槽两侧煤体和底板承受应力较大，达到8 MPa左右；其次较大应力分布在煤层两侧顶板区域，达到6 MPa左右。当工作面回采距离10 m时，采空区侧应力平衡首先被破坏，且呈现水平方向向外传递特征，顺槽两侧煤层和回采范围煤柱顶底板垂直方向应力分布范围迅速扩大，应力值达到10.7 MPa。当工作面回采距离40 m时，采空区侧动压与回采侧煤柱顶底板压力、顺槽顶底板压力，以及外段煤层压力相互叠加影响，最大影响范围出现在回采侧煤柱内，垂直方向动压达到12.6 MPa。当工作面回采距离70 m时，与顺槽之间煤柱预留不足50 m，垂直方向最大应力峰值出现在煤柱内部，动压达到14.8 MPa，且随着工作面向外推进，回采侧煤柱承受的应力还在不断增大，应力一旦超过煤柱可承载能力，可能破坏煤柱结构完整性和稳定性，造成西101辅运顺槽（一段）变形加剧，支护破坏，对工作面后期回采造成严重安全威胁。工作面回采推进度与垂直应力分布数值规律如图3所示。

图3 工作面回采推进度与垂直应力分布数值规律

3、安全煤柱加固宽度方法

随着工作面向外回采，根据煤体结构受动压破坏影响机理分析，通常由弹性形变、塑性形变和失稳破坏等三个阶段组成[3-5]。按照图2、图3推进度与顺槽、煤层等受力规律与应力分布特征进行综合分析：在初始回采阶段，应力分布相对平衡，产生动压较小，顺槽煤柱处于弹性形变期；随着工作面推进度增加，应力逐渐增大，应力叠加对煤体结构破坏增强，煤柱产生塑性形变；在工作面临近顺槽时，预留保护煤柱越来越窄，煤体结构稳定性下降，抗压强度降低，当应力超过煤体抗压强度时，出现结构失稳破坏[6]。根据这一形变规律绘制顶板应力分布曲线如图4所示。

图4 顶板应力分布曲线

由上图4分析：以顺槽靠近回采侧煤壁上方顶板为受力原点，横坐标为留设煤柱宽度，纵坐标反映应力分布数值，结合顶板围岩破碎断裂程度与周期来压步距、受力变化等参数进行分析，得到如下计算公式：

式中：L为周期来压步距，m;m为工作面采高，m；σ为单轴抗压强度，MPa;γ为覆岩承载力，kN/m3;H为埋深，m;B为上覆岩层厚度，m。

式中：反映回采煤柱前方顶板受力发生结构破坏，在超前断裂条件下顺槽预留煤柱的最小安全距离关系，D为最小安全煤柱，m;L为来压步距，m;b为顺槽巷道宽度，m。

公式（3）中反映回采侧煤柱和顺槽内两个区域顶板岩层承受的载荷与预留煤柱宽度之间的关系。其中η为顶板载荷比系数。将上述3个计算关系公式相互代入可得下式：

综上所述：根据预留煤柱顶板超前断裂条件下，煤柱稳定结构受到破坏，可抵抗顶板压力的最小距离安全煤柱约为9.7 m，即在回采过程中，西101辅运顺槽（一段）需采取加固措施的最小煤柱距离不得小于10 m范围。

4、超前断裂顶板注浆钻孔设计

根据顺槽预留安全煤柱加固宽度计算不得小于10 m的结果，为有效防止工作面煤壁上方顶板受到应力影响超前断裂，导致西101辅运顺槽（一段）内顶板支护强度下降，造成顶板围岩结构破碎，需采取施工顶板钻孔进行注浆加固的措施。由于15号煤层平均厚度4.89 m，顺槽巷高为3.5 m，工作面采用沿底回采工艺，为提高煤体自身的结构强度和顶板完整性，设定在顺槽内向回采侧煤壁施工两排注浆钻孔。下排孔垂直煤壁水平施工，设计孔深10 m，孔间距3.5 m，距离底板高度1.5 m；上排孔在顶板以下0.5 m位置开孔，仰角20°，孔深10 m，进入顶板以上垂距近1.4 m，孔间距3.5 m。为实现煤体与顶板的均匀注浆效果，上下两排钻孔呈“五花眼”内错布置，两排水平间距1.7 m左右，钻孔孔径φ45 mm。注浆钻孔设计如图5所示。

图5 注浆钻孔设计剖面

5、注浆加固效果应用分析

通过对待回采剩余安全煤柱与顶板进行注浆加固，有效预防因动压作用导致顶板超前断裂，造成顺槽顶板破碎和煤壁片帮、底鼓等现象，在西101辅运顺槽（一段）与西101切眼（二段）对应巷道范围内设置若干组定点观测站，根据剩余煤柱厚度与顺槽顶板下沉量、两帮移近量和底鼓量等关联参数进行实地测量，将变化数值关系绘制如图6所示。

图6 顺槽留设煤柱距离与巷道变形参数关系

由图6分析可得：当工作面剩余推进距离顺槽由40 m到10 m的过程中，顶板下沉量变化幅度最大；在距离40 m时，顶板下沉19 mm，在距离10 m时下沉量达202 mm；帮部移近量由16 mm增加到180 mm；底鼓量由接近0 m增大到150 mm，虽然变化幅度较大，但整体巷道变形在可控范围内，通过注浆起到有效加固围岩与改善巷道支护的效果。

6、结论

1）通过对西101工作面（二段）回采推进度与西101辅运顺槽（一段）之间顶板应力变化规律与分布特征的数值模拟分析，结合顺槽预留安全煤柱加固宽度计算公式，得出最小安全煤柱距离应不小于10 m，为采取加固措施提供科学依据。

2）通过采取对安全煤柱和顶板施工钻孔进行注浆加固的措施，有效预防顶板超前断裂，提高待采煤柱的抗压强度，将顺槽巷道变形参数中顶板下沉量控制在202 mm，帮部移近量控制在180 mm，底鼓量小于150 mm，降低了后期巷修的成本投入。

参考文献:

[1]李鹏俊.沿空掘巷护巷煤柱注浆加固技术研究[J].煤,2022,31(12):72-75,79.

[2]武勇.沿空掘巷煤柱加固技术研究[J].当代化工研究,2020(13):80-81.

[3]周子靖.沿空留巷煤柱劣化区注浆改造工艺研究[J].煤,2022,31(1):48-50.

[4]张斌. 9103采面下部老空区冒落带､裂隙带高度探测[J].江西煤炭科技,2020(4):182-184,187.

[5]寇海萍.区段小煤柱开采注浆加固技术研究[J].能源与节能,2021(4):129-130.

[6]张浩春.注浆加固技术在小煤柱沿空掘巷中的应用[J].煤炭与化工,2022,45(12):19-21,24.

文章来源:赵永伟.“刀把式”综采工作面巷道煤柱宽度留设及加固[J].江西煤炭科技,2024,(03):19-21+25.