1、立项原因:
随着煤炭日益开采,煤炭资源在日益减少,为了节约煤炭资源提高回采率,小煤柱巷道掘进技术将逐渐被广泛使用。过去巷道布置时为躲避压力,留设大煤柱,巷道煤柱宽度一般在15米以上,但掘进过程中有时还是会收到压力影响而采取加强支护,造成资源的极大损失;小煤柱巷道掘进技术解决了巷道保护煤柱的浪费,同时掘进过程中在压力集中区域提前采取加强支护,避免了后期补强支护的麻烦,尤其时多重压力影响下的小煤柱巷道掘进。
受动压开采影响,掘进巷道的变形特征呈现出复合特征。主要有三个特征:
1)掘进开始阶段变形速率大
受动压开采影响使得煤岩体中聚集了很高的弹性能量,而且由于巷道掘进后会产生载荷卸载的作用,这将导致所储存的弹性能量较快地释放出来,最终引起巷道刚掘出时产生很大的变形速率。
2)变形量大,返修率高
研究表明,受动压开采影响巷道变形量可达500mm-800mm(若没有合理的进行支护,巷道围岩的变形量可达到1000mm)。随之而来的是巷道的返修率能达到40%-80%。
3)普通的支护不能控制巷道的变形
动压开采影响下掘进小煤柱巷道,巷道围岩变形更为剧烈,破坏程度也更加严重。这就要求选择合理的支护材料、支护方式来控制掘进巷道的变形,降低巷道维护稳定的费用。
2、成果内容:
1工程概况及地质条件
1.1工程概况
12#层307盘区5737巷沿12-1#与12-2#合并煤层掘进,该巷井下位置北起12#层307盘区巷,南到后所沟村保护煤柱,西面为12#层8735面(未开采),东面12#层8739面(正采);12#层5737巷与相邻12#层2739巷留设5米保护煤柱,掘进过程中受同层相邻的12#层307盘区8739工作面回采动压影响,同时还受上覆保护煤柱压力影响且层间距最低为3.3米。
具体布置如图1所示
图1 12#层307盘区5737巷平面布置图
1.2地质条件
12#层307盘区5737巷设计长度467米,煤层北高南低的单斜构造,煤层厚度为1.93米~2.3米,平均2.12米。煤层倾角平均3°,与上覆11#层层间距为3.3~13.65米,平均层间距8.18米;本巷掘至23米进入上覆为11#2739空巷,预计掘进至63米进入上覆11#层8739面采空区,掘进至342米出上覆11#层采空区,进入上覆11#层实煤压力区,447米出上覆11#层实煤区,进入11#层8739面采空区。
2 多重压力影响下极近距离小煤柱巷道掘进技术理论方案确定
2.1巷道位置的选择
煤层开采过程破坏了原岩应力的平衡状态,引起应力重新分布。由于支撑压力的影响,可分为应力降低区、应力增高区、原岩应力区。因此,可能的掘巷位置有四种:[1]1无煤柱完全沿空掘巷;2应力降低区留小煤柱掘巷;3应力增高区留较大煤柱掘巷;4原岩应力区留大煤柱护巷。根据压力分布及现场施工经验分析,在应力降低区留小煤柱掘巷方案不仅使巷道处于应力降低区,维护容易,且能有效的防止采空区漏风,避免采空区积水和有害气体的涌出。因此,理论上动压开采期间留小煤柱掘巷方案最为可行。
2.2巷道支护方案的选择
根据四台矿《12#层307盘区5737巷掘进地质说明书》中提供的煤层顶、底板情况分析,12#层307盘区5737巷道顶板直接顶为粉细砂岩互层,平均厚度达8m,老顶为细砂岩,适合锚杆+锚索钢梁支护。为了将锚杆加固的“组合梁”悬挂于坚硬岩层中,需用锚索做联合支护。即初步确定5737巷采用矩形断面,锚杆+长钢带+锚索+长钢梁+金属网联合支护。
3 多重压力影响下极近距离小煤柱巷道压力分析
3.1压力来源
12#层5737巷压力来源主要受上覆11#层8739面采空区和11#层8737面采空区中间保护煤柱压力与同层12#层8739面回采动压多重压力影响。
3.2多重压力分析
1)上覆煤柱压力分析
根据压力分析及现状评价12#层5737巷属于双侧上覆采空区类型,受中间保护煤柱压力影响,保护煤柱宽度越窄,应力峰值就越大且比较集中,上覆压力传递至巷右帮开始释放,巷内压力显现体现在右帮炸帮严重,顶板破碎。
2)回采动压分析
12#层5737巷回采动压来源于同层12#层8739面回采压力影响,根据图示及现场压力显现情况分析,12#层5737巷属于一侧回采同层保护煤柱类型,巷道围岩处于弹性变形,应力分布如右上图所示,通过计算,巷道处于煤柱的承载能力与支撑压力平衡状态中;随着12#层8739面后古塘塌落,压力得到释放,12#层5737巷受到的压力影响较小,巷内无明显压力显现。
压力分析如图2所示
图2 12#层307盘区5737巷多重压力分析
4 多重压力影响下极近距离小煤柱巷道现场实践方案
4.1巷道支护方案的设计
根据相邻巷道矿压观测数据及支护经验分析,以及锚杆悬吊理论计算验算,确定12#层5737巷设计为矩形断面,巷道顶板采用锚杆+长钢带+锚索+长钢梁+金属网联合支护,巷道两帮采用锚杆+预应力垫片+菱形金属网支护。
进入11#层8739采空区前:锚杆布置五排,排间距750×1000mm, 使用φ18×1800 mm左旋无纵筋螺纹钢锚杆配合长钢带与预应力垫片;锚索布置三排,排间距1400×2000mm,两端锚索斜拉65度,使用φ17.6×6000㎜的钢绞线配套3.2米长钢梁支护。帮锚杆间距压缩为1000×1000mm,左右帮锚杆布置为三排,上端锚杆与下端锚杆斜拉15度;
进入采空区后,要随时掌握与11#层采空区层间距,并根据层间距大小变化调整支护方案。
支护设计如图3所示
图3 12#层307盘区5737巷进入采空区前支护断面图
4.2与相邻同层12#层8739面采掘交锋期间处理方案
12#层5737巷与12#层8739面保护煤柱为5米,为保证12#层8739工作面回采期间头巷后古塘能及时垮落释放压力,减小对12#层5737巷的回采动压影响,决定在12#层8739面2739巷施工切顶眼。施工切顶眼距煤柱帮0.2米;角度垂直布置;切顶眼施工间距0.3米;施工眼深5.3米,眼深比层间距小1.0米;施工长度为12#层5737巷与12#层8739面采掘交锋前后50米,施工切顶眼要保证切顶眼成一条直线,根据施工位置,施工期间使用线绳进行测量,保证切顶眼成一条直线。
如图4所示
图4 12#层5737巷与12#层8739面采掘交锋施工切顶眼示意图
5 12#层5737巷现场应用效果
5737巷掘进期间经过100d矿压观测,巷道两帮移近量150mm,顶底板相对移近量100mm,巷道基本没有发生变形。所以51022巷受动压开采及小煤柱双重压力影响,但在护帮对穿锚索、切顶眼及巷道支护综合作用下,顶、底、帮的维护难的问题得到了有效的控制,有效的降低了巷道片帮冒顶现象发生的概率,对人员的安全有保证。现场如图5所示。
图5 12#层5737巷现场照片
3、创新点:
3.1、动压开采影响下,巷道过采掘交锋应力集中区域的顶、底、帮的维护难的问题得到了有效的控制。
3.2、有效的降低了巷道片帮冒顶现象发生的概率,对人员的安全有保证。
3.3、有效的控制了巷道垂直应力及水平应力的显现,
3.4、通过该特种支护工艺使得在巷道周围形成了稳固拱,稳固了巷道的成型,降低了巷道后期维护的工作量。
4、社会效益:
小煤柱巷道掘进技术在我矿已成功应用,而在受多重压力影响下的12#层307盘区5737巷也已顺利完成,证明小煤柱巷道掘进技术在我矿已成熟,为日后研究新的方向奠定了坚实的基础。节约煤炭资源提高回采率,5737巷小煤柱掘进可以为本矿多回采出5万吨煤,直接经济效益240万,小煤柱巷道掘进技术将逐渐被广泛使用,提高了掘进速度及成巷率,保证安全生产。
多重压力影响下极近距离小煤柱巷道掘进技术
经济社会效益证明
受多重压力影响下的12#层307盘区5737巷顺利施工完成,为我矿多回采出5万吨煤,直接经济效益240万,创造了巨大的经济效益。这种巷道掘进技术的应用,有效的防止矿压显现造成的顶板下沉、两帮炸帮严重、底板鼓起等现象,给巷道维护及后期采煤创造了良好的条件,加快了安全生产了,有效的提高了掘进速度及成巷率,为该盘区的准备工作节余了很多时间。
通过该特种支护工艺使得在巷道周围形成了稳固拱,稳固了巷道的成型,降低了巷道后期维护的工作量。动压开采影响下,巷道过采掘交锋应力集中区域的顶、底、帮的维护难的问题得到了有效的控制;有效的降低了巷道片帮冒顶现象发生的概率,对人员的安全有保证;有效的控制了巷道垂直应力及水平应力的显现。