赵庄煤矿23101巷位置选择及支护技术研究.pdf

收稿日期２０２０􀆽 ０３􀆽 ３０ 作者简介刘 汞１９８９ － ꎬ男ꎬ山西晋城人ꎬ助理工程师ꎬ从事生产技术工作ꎮ ｄｏｉ１０. ３９６９/ ｊ. ｉｓｓｎ. １００５ －２７９８. ２０２０. ０８. ００４ 赵庄煤矿 ２３１０１ 巷位置选择及支护技术研究 刘 汞 晋城煤业集团 赵庄煤业公司ꎬ山西 长治 ０４６６００ 摘 要为提高赵庄煤矿煤炭资源采出率ꎬ预在 ２３１０１ 巷进行迎回采面留小煤柱沿空掘巷技术试验ꎬ通过 数值模拟分析确定了合理的煤柱宽度为 ８. ０ ｍꎬ借鉴相关矿井的经验ꎬ确定了 ２３１０１ 巷的最佳支护方案ꎬ现 场应用效果表明掘巷期间巷道顶底板相对移近量最大为７２ ｍｍꎬ两帮相对移近量最大为８７ ｍｍꎻ工作面回 采期间ꎬ顶底板相对移近量约为 ２２８ ｍｍꎬ两帮相对移近量约为 ２５７ ｍｍꎬ围岩控制效果显著ꎬ留小煤柱迎回 采面沿空掘巷技术应用效果良好ꎮ 关键词小煤柱ꎻ沿空掘巷ꎻ数值模拟 中图分类号ＴＤ３５３ꎻＴＤ８２ 文献标识码Ａ 文章编号１００５􀆽 ２７９８２０２００８􀆽 ００１１􀆽 ０３ Ｌｏｃａｔｉｏｎ Ｓｅｌｅｃｔｉｏｎ ａｎｄ Ｓｕｐｐｏｒｔ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｏｆ ２３１０１ Ｒｏａｄｗａｙ ｉｎ Ｚｈａｏｚｈｕａｎｇ Ｃｏａｌ Ｍｉｎｅ ＬＩＵ Ｇｏｎｇ Ｚｈａｏｚｈｕａｎｇ Ｍｉｎｉｎｇ Ｃｏｍｐａｎｙ ｏｆ Ｊｉｎｃｈｅｎｇ Ｍｉｎｉｎｇ ＧｒｏｕｐꎬＣｈａｎｇｚｈｉ ０４６６００ꎬＣｈｉｎａ ＡｂｓｔｒａｃｔＩｎ ｏｒｄｅｒ ｔｏ ｉｍｐｒｏｖｅ ｔｈｅ ｒｅｃｏｖｅｒｙ ｒａｔｅ ｏｆ ｃｏａｌ ｒｅｓｏｕｒｃｅｓ ｉｎ Ｚｈａｏｚｈｕａｎｇ Ｃｏａｌ Ｍｉｎｅꎬｔｈｅ ｔｅｃｈｎｉｃａｌ ｔｅｓｔ ｏｆ ｇｏｂ － ｓｉｄｅ ｅｎｔｒｙ ｄｒｉｖｉｎｇ ｗｉｔｈ ｓｍａｌｌ ｃｏａｌ ｐｉｌｌａｒｓ ｒｅｍａｉｎｉｎｇ ｉｎ ｔｈｅ ｈｅａｄｉｎｇ ｆａｃｅ ｗａｓ ｃａｒｒｉｅｄ ｏｕｔ ｉｎ ｌａｎｅ ２３１０１. Ｔｈｅ ｒｅａｓｏｎａｂｌｅ ｃｏａｌ ｐｉｌｌａｒ ｗｉｄｔｈ ｗａｓ ｄｅｔｅｒｍｉｎｅｄ ｔｏ ｂｅ ８. ０ ｍ ｂｙ ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ａｎａｌｙｓｉｓꎬａｎｄ ｔｈｅ ｅｘｐｅｒｉｅｎｃｅ ｏｆ ｒｅｌａｔｅｄ ｍｉｎｅｓ ｗａｓ ｕｓｅｄ ｆｏｒ ｒｅｆｅｒｅｎｃｅꎬｔｈｅ ｂｅｓｔ ｓｕｐｐｏｒｔｉｎｇ ｓｃｈｅｍｅ ｏｆ ２３１０１ ｒｏａｄｗａｙ ｉｓ ｄｅｔｅｒｍｉｎｅｄ. Ｔｈｅ ｆｉｅｌｄ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｍａｘｉｍｕｍ ｒｅｌａｔｉｖｅ ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ ｏｆ ｒｏｏｆ ａｎｄ ｆｌｏｏｒ ｉｓ ７２ ｍｍ ａｎｄ ｔｈｅ ｍａｘｉｍｕｍ ｒｅｌａｔｉｖｅ ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ ｏｆ ｔｗｏ ｓｉｄｅｓ ｉｓ ８７ ｍｍꎬａｎｄ ｔｈｅ ｒｅｌａｔｉｖｅ ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ ｏｆ ｒｏｏｆ ａｎｄ ｆｌｏｏｒ ｉｓ ａｂｏｕｔ ２２８ ｍｍ ｄｕｒｉｎｇ ｍｉｎｉｎｇ ｆａｃｅꎬｔｈｅ ｒｅｌａｔｉｖｅ ｄｉｓｔａｎｃｅ ｂｅｔｗｅｅｎ ｔｈｅ ｔｗｏ ｓｉｄｅｓ ｉｓ ａｂｏｕｔ ２５７ ｍｍꎬａｎｄ ｔｈｅ ｃｏｎｔｒｏｌ ｅｆｆｅｃｔ ｏｆ ｓｕｒｒｏｕｎｄｉｎｇ ｒｏｃｋ ｉｓ ｒｅｍａｒｋａｂｌｅ. Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓｓｍａｌｌ ｃｏａｌ ｐｉｌｌａｒꎻｇｏｂ － ｓｉｄｅ ｅｎｔｒｙ ｄｒｉｖｉｎｇꎻｎｕｍｅｒｉｃａｌ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ １ 工程概况 晋煤集团赵庄煤矿是一座年产量为 ８００ 万 ｔ 的 现代化矿井ꎬ现主要开采 ３ 号煤层ꎬ煤层厚度 １. ２ ５. ２５ ｍꎬ平均 ４ ｍꎬ煤层倾角 ０ ８ꎬ平均 ４ꎬ普氏系 数 ｆ ＝ ０. ４ １. ３２ꎮ ２３１０ 工 作 面 地 面 标 高 为 ＋９７５. ８ ＋ １ ０１１ ｍꎬ煤层底板标高为 ＋ ４５６ ＋５１２ ｍꎬ盖山厚度 ４６８. ５ ５７０. ４ ｍꎮ 工作面伪顶 为深灰色砂质泥岩ꎬ厚度 ０. ７８ ｍꎻ直接顶为深灰色 粉砂岩ꎬ厚度 ６ ｍꎬ抗压强度 ３７. ６ ＭＰａꎬ泊松比 μ ＝ ０. ２６ꎬ内聚力为６. ７ ＭＰａꎬ普氏系数 ｆ ＝４. ０ꎻ基本顶为 灰色 － 浅灰色中粒砂岩ꎬ厚度 １４. ２ ｍꎻ直接底为深 灰色砂质泥岩ꎬ厚度 １. ５９ ｍꎬ抗压强度 ３１. ９ ＭＰａꎬ泊 松比 μ ＝０. ２４ꎬ凝聚力为 ４. ２ ＭＰａꎬ普氏系数 ｆ ＝４. ０ꎻ 基本底为灰色细粒砂岩ꎬ厚度 １. １ ｍꎮ ２３１０ 工作面 紧邻 ２３０８ 工作面ꎬ为提高煤炭资源采出率ꎬ缩短工 作面接替时间ꎬ决定在保证巷道围岩稳定的前提下ꎬ 在 ２３０８ 工作面回采期间进行 ２３１０ 工作面进风巷 ２３１０１ 巷的掘进施工ꎬ２３１０１ 巷为矩形断面ꎬ净宽 ４. ５ ｍꎬ净高３. ５ ｍꎬ设计施工长度 １ ４４３. ３ ｍꎮ 本文 对合理的护巷煤柱宽度和巷道支护参数进行研究ꎮ ２ ２３１０１ 巷合理护巷煤柱宽度研究 合理护巷煤柱宽度对于沿空巷道围岩稳定具有 关键作用[１]ꎬ为确定 ２３１０１ 巷最佳区段煤柱宽度ꎬ运 用 ＦＬＡＣ３Ｄ数值软件分析不同煤柱宽度条件下迎回 采面掘巷期间围岩的稳定性[２]ꎮ 为准确模拟 ２３１０１ 巷留小煤柱掘巷ꎬ按照 ２３１０ 工作面实际地质和开采 技术条件 １∶ １ 建立模型ꎬ２３０８ 工作面和 ２３１０ 工作 面切眼长度均为 １８０ ｍꎬ为避免边界效应ꎬ工作面边 １１ 试试验验研研究究 总第 ２５２ 期 界距模型边界应大于 ２０ ｍꎬ且考虑到区段煤柱宽度 通常为 ０ ３０ ｍꎬ故设计模型 Ｘ 方向长度为 ４３０ ｍꎬ 模拟工作面推进长度 ２００ ｍꎬ模型边界各留 ５０ ｍ 实 体煤ꎬ设计模型 Ｙ 轴方向长度为 ３００ ｍꎬ２３１０ 工作面 采高为４. １ ｍꎬ垂直“三带”高度约为５４. ５ ｍꎬ因此设 计地层总厚度为 ７０ ｍꎬ最终模型尺寸长、宽、高分别 为 ４３０ ｍ、３００ ｍ 和 ７０ ｍꎬ见图 １ 所示ꎮ 模型四周边 界施加水平方向的位移约束ꎬ底部边界为固定边界ꎬ 上部边界施加等效于同等覆岩载荷的均布应力ꎬ埋 深取 ４００ ｍꎬ垂直应力为 １０ ＭＰａꎮ 设计本次模拟 ２３１０ 工作面留设区段煤柱宽度的备选方案为 ５ １０ ｍꎬ变化梯度为 １. ０ ｍꎮ 图 １ 三维数值模型 各岩层的力学参数根据实验室物理力学实验结 果进行赋值ꎬ模型建立及各地层赋值完毕后ꎬ首先通 过初始平衡得到地应力场ꎬ之后进行上区段 ２３０８ 工 作面回采巷道的开挖ꎬ然后进行 ２３０８ 工作面回采和 ２３１０１ 巷道掘进的模拟开挖ꎬ２３０８ 工作面在距模型 右边界 ５０ ｍ 处开切眼进行回采ꎬ每次推进 ４ ｍꎬ ２３１０１ 巷在距模型左边界 ５０ ｍ 开口掘进ꎬ每次开挖 ８ ｍꎬ巷道掘进与工作面回采交替进行ꎬ当 ２３１０１ 巷 掘进迎头与 ２３０８ 工作面相交时ꎬ在 ２３０８ 工作面前 方 １０ ｍ 取截面ꎬ观察 ２３１０１ 巷围岩塑性破坏状态ꎬ 整理得到图 ２ 所示结果ꎮ 图 ２ 不同煤柱条件下掘巷围岩塑性区分布 由图 ２ 可知ꎬ２３１０１ 巷模拟结果中右侧巷道 掘进期间ꎬ区段煤柱宽度为 ５. ０ ６. ０ ｍ 时ꎬ巷道顶 底板及两帮均出现明显的塑性破坏区ꎬ且煤柱帮全 部发生塑性破坏ꎬ实体煤帮塑性破坏深度最大为 ４. ０ ｍꎬ整体围岩塑性破坏严重ꎬ巷道支护较困难ꎻ区 段煤柱宽度为 ７. ０ ｍ 时ꎬ巷道顶板未发生塑性破坏ꎬ 实体煤帮塑性破坏深度减小为 ３. ０ ｍꎬ且底板和煤 柱帮岩体塑性破坏范围也有明显减小ꎬ巷道围岩稳 定性明显提高ꎻ当区段煤柱达到 ８. ０ ｍ 及以上ꎬ顶板 均未发生塑性破坏ꎬ 且煤柱帮塑性破坏区未与 ２３０８２ 巷联通ꎬ煤柱中部存在一定宽度的完整煤岩 体ꎬ说明此时煤柱具有良好的承载能力ꎬ有利于沿空 巷道围岩的整体稳定ꎮ 综上可知ꎬ区段煤柱为８. ０ ｍ 最为合理ꎮ ３ ２３１０１ 巷支护方案 参照其他矿井的经验[３ －４]ꎬ确定 ２３１０１ 巷采用 锚杆、锚索、钢筋托梁、金属菱形网联合支护方式ꎮ 具体支护参数为顶板采用 Ｄ１８ ｍｍ ２ ０００ ｍｍ 高 强度左 旋 无 纵 筋 螺 纹 钢 锚 杆ꎬ 每 排 ４ 根ꎬ 间 距 １ ３００ ｍｍꎬ排距 １ ０００ ｍｍꎬ紧靠巷帮的锚杆距帮 ３００ ｍｍꎬ并向巷道外侧倾斜 １５布置ꎬ锚杆锚固力不 小于 １００ ｋＮꎬ预紧力矩不小于 ２５０ Ｎ􀅱ｍꎻ锚索采用 Ｄ１５. ２４ ｍｍ Ｌ４ ３００ ｍｍ 的高强度低松弛预应力钢 绞线ꎬ间排距为２ ５００ ｍｍ ３ ０００ ｍｍꎬ采用三支树脂 锚固剂加长锚固ꎬ一支 ＭＳＫ２３３５ꎬ两支 ＭＳＺ２３６０ꎬ设 计锚 固 长 度 １ ９７０ ｍｍꎮ 两 帮 采 用 Ｄ１８ ｍｍ １ ８００ ｍｍ的螺纹钢锚杆ꎬ每排 ４ 根ꎬ间距 １ ０００ ｍｍꎬ 排距 １ ０００ ｍｍꎬ最上一根距顶板 ２５０ ｍｍꎬ最下一根 距底板 ２５０ ｍｍꎬ与垂直方向成１５安装ꎬ锚固力不小 于 １００ ｋＮꎬ预紧力矩不小于６０ Ｎ􀅱ｍꎬ所有锚杆锚固 剂为一支 ＭＳＫ２３３５ 和一支 ＭＳＺ２３６０ 树脂药卷ꎮ 巷 道表面采用 １０ 号铁丝编制而成的金属菱形网ꎬ网格 为 ５０ ｍｍ ５０ ｍｍꎮ 钢筋托梁采用 Ｄ１４ ｍｍ 的钢筋 焊接而成ꎬ宽度为 ８０ ｍｍꎬ顶钢筋托梁长度为４. ３ ｍꎬ 四孔ꎬ帮钢筋托梁长度为 ３. ３ ｍꎬ四孔ꎮ ２３１０１ 巷支 护示意如图 ３ 所示ꎮ ４ 现场应用效果 ２３１０１ 巷区段煤柱宽度留设 ８. ０ ｍꎬ采用上述支 护方式ꎬ为考察煤柱留设宽度及支护方式的合理性ꎬ 采用“十字布点法”对 ２３１０１ 巷掘进期间及 ２３１０ 工 作面回采期间巷道表面变形量进行了观测ꎬ观测结 果如图 ４ 和图 ５ 所示ꎮ ２１ ２０２０ 年 ８ 月 刘 汞赵庄煤矿 ２３１０１ 巷位置选择及支护技术研究 第 ２９ 卷第 ８ 期 图 ３ ２３１０１ 巷支护方案ｍｍ 图 ４ 掘进期间巷道表面位移变化规律 由图 ４ 可以看出ꎬ成巷后巷道表面位移量稳步 增大ꎬ滞后迎头处约 １００ ｍꎬ巷道表面位移量趋于稳 定ꎬ顶板下沉量最大为 １３ ｍｍꎬ底板底鼓量最大为 ５９ ｍｍꎬ顶底板相对移近量最大为 ７２ ｍｍꎻ煤柱帮内 移量最大为 ５１ ｍｍꎬ实体煤帮内移量最大为 ３６ ｍｍꎬ 两帮相对移近量最大为 ８７ ｍｍꎬ巷道表面位移量很 小ꎬ围岩整体稳定ꎮ 图 ５ 工作面回采期间巷道表面位移变化规律 由图 ５ 可以看出ꎬ直至工作面回采至测点附近ꎬ 顶底板相对移近量约为 ２２８ ｍｍꎬ两帮相对移近量约 为 ２５７ ｍｍꎬ巷道表面位移量在合理范围内ꎬ能够满 足工作面正常生产的断面需求ꎮ ５ 结 语 根据赵庄煤矿 ２３１０ 工作面实际地质条件ꎬ确定 了沿空掘巷护巷煤柱最佳宽度和巷道支护方案ꎬ通 过现场应用监测ꎬ巷道表面位移量在合理范围内ꎬ取 得了良好效果ꎬ保障了工作面的安全生产ꎮ 参考文献 [１] 于嘉琦. 综放沿空巷道窄煤柱稳定性分析及围岩控制 技术研究[Ｊ]. 煤矿现代化ꎬ２０２０１１３９ －１４１ꎬ１４４. [２] 杨海峰. 挖金湾矿 ８１０２ 工作面沿空掘巷煤柱尺寸优化 及支护研究[Ｊ]. 煤矿现代化ꎬ２０２０２２７ －２９. [３] 张宏伟. 孤岛工作面沿空掘巷矿压特征应用研究[Ｊ]. 当代化工研究ꎬ２０２０３５２ －５３. [４] 孟祥军. 基于基本顶断裂位置的综放沿空掘巷煤帮支 护技术[Ｊ]. 煤炭科学技术ꎬ２０２０ꎬ４８１６１ －６８. [责任编辑路 方] ３１ ２０２０ 年 ８ 月 刘 汞赵庄煤矿 ２３１０１ 巷位置选择及支护技术研究 第 ２９ 卷第 ８ 期