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孤岛煤柱内巷道合理布置与围岩控制技术研究

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煤第49卷第5期 doi:10.1 1799/ce201705004 炭工程 Vol_49.No.5 COAL ENGINEERING 孤岛煤柱内巷道合理布置与围岩控制技术研究 范育青 (贵州工程应用技术学院矿业工程学院,贵州毕节551700) 摘要:为提升煤炭运输效率、形成高效运煤系统,布拉克矿53采区集中运输巷需布 置在孤岛煤柱内。为寻求巷道的合理位置,分析了孤岛煤柱上覆围岩结构与应力分布规律;运用 数值软件FLAC如对不同掘巷方案下煤柱及巷道围岩应力、应变、位移和孤岛煤柱稳定性进行了 对比分析,最终结合现场条件确定巷道留设在距5401采空区4m位置处。对集中巷围岩采用高 预应力高强锚杆(索)进行组合加固,结合现场拉拔试验,研究确定了集中巷窄煤柱一侧锚杆的 合理长度,保证了锚杆的锚固有效性。现场应用监测结果表明:巷道围岩变形速度初期较大.后 期平缓,变形量在可控范围之内,运输巷变形得到了有效控制。 关键词:孤岛煤柱;巷道位置;数值模拟;围岩控制 中图分类号:TD822 .2 文献标识码:A 文章编号:1671—0959(2017)05—001 1.04 Study on reasonable roadway location and surrounding rock control in isolated coal pillar FAN Yu—qing (School of Mining Engineering,Guizhou University of Engineering Science,Bijie 551700,China) Abstract:In order to improve the efifciency of coal transportation and establish an efficient coal conveying system,the main transportation roadway in No.53 mining area of Xinjiang Bulake Coal Mine is to be arranged in the isolated coal pillar. To find the reasonable location for roadway,the surrounding rock structure and stress distribution law is analyzed firstly. According to FLAC simulation on stress,strain,displacement in coal pillar and roadway surrounding rock,as well as isolated coal pillar stability,under different roadway driving scheme,the roadway position is determined at 4m away from the 5401 goal considering the field conditions.Besides,the anchofng force near the narrow coal pillar is guaranteed by the determination of the reasonable length of the anchor through pull out test.As a result,the deformation of surrounding rock is controlled,which is relatively large initially and turns stable later. Keywords:isolated coal pillar;roadway position;numerical simulation;surrounding rock control 布拉克矿5 煤5105工作面采空区与5401工作面 采空区之间均遗留18.5m宽煤柱,为提升煤炭运输效率、 形成高效运煤系统,需将53采区集中运输巷布置在18.5m 宽孤岛煤柱内。针对孤岛煤柱周围应力环境以及周围巷道 于弹性力学方法分析了孤岛煤柱下部岩层中巷道合理位 置 ]。许磊,臧龙等对孤岛煤柱下部巷道围岩变形规律与 巷道围岩控制技术进行了研究_4 j,汪华君等基于对集中应 力高危区域划分方法对下山孤岛煤柱安全开采过程中回采 巷道布置方式进行了设计l6]。然而,上述研究多针对于孤 岛煤柱周围巷道或者是孤岛工作面沿空掘巷的研究.对于 合理布置与变形控制,国内外专家学者进行了大量研究与 探索。华心祝采用FLAC 研究了孤岛工作面沿空掘巷超前 支承压力分布特征并建立了孤岛工作面沿空掘巷基本顶的 力学模型 :张炜揭示了孤岛面窄煤柱沿空掘巷围岩控制 孤岛煤柱内巷道的布置与围岩控制研究较少。本文通过理 论分析、数值模拟和现场实践相结合的方法对孤岛煤柱内 巷道合理布置与巷道围岩变形控制技术进行了分析与探讨, 机理,提出了具有针对性的围岩变形控制对策[2];陈峰基 收稿日期:2016—06—20 基金项目:贵州省教育厅自然科学研究重点项目资助(黔教合KY字[2014]273号);贵州省科技合作计划资助项目 (黔科合LH字[2016]7047号) 作者简介: 范育青(198O一),男,江苏灌云人,硕士,副教授,主要从事矿井开采及灾害防治方面的教学与科研,E— mail:yqfan800527@126.com。 引用格式: 范育青.孤岛煤柱内巷道合理布置与围岩控制技术研究[J].煤炭工程,2017,49(5):11—14. 11 煤希望为类似巷道开掘提供参考。 炭工程 2017年第5期 1工程概况 矿井前期主采煤层为1 煤、5 煤。5 煤属厚煤层,平 均厚度为9.56m、埋深250m、倾角14。。直接顶为平均 1.9m厚的泥岩;老顶以粉砂岩、细砂岩为主,平均厚度为 图2孤岛煤柱覆岩结构模型 16.6m,垂直裂隙发育;直接底为泥岩,遇水呈泥粉状,厚 度平均1.2m;老底为中粗粒砂岩。粗粒夹细砂条带,块 l4.2~18.5m)的应力低于原岩应力,此区域煤柱承载能力 低,煤柱受两侧采动影响已经破坏,呈现破碎和塑性状态。 状,底部含砾石,厚度平均16.4m。 受集中应力影响孤岛煤柱两侧破碎程度较大、破坏范 任何对煤柱的开挖都会造成煤柱应力的重新分布,而 围较深。5 煤5101工作面采空区与5103工作面采空区之问 煤柱布置5301运输巷外段,掘进期间巷道帮部煤体发 生严重碎裂.产生多条贯穿顶底的纵向裂缝,裂缝深入煤 柱内部导致边缘煤体向巷内挤出,巷道肩角锚杆托盘及钢 筋梯子梁钻入煤体缝隙,造成巷道顶板与两帮撕裂,巷道 断面急剧收缩,整体性遭受严重破坏。考虑5 煤三采区煤 炭运输系统,仍须在同宽度孤岛煤柱内布置一条53采区集 中运输巷.鉴于5301运输巷外段在以往采掘工艺、布置方 法及支护参数下巷道围岩出现大变形的不利局面.如何优 化各类影响因素,将巷道围岩变形控制在一定范围之内, 满足巷道服务期限内围岩稳定性要求,成为问题的关键。 53采区集中运输巷及5301运输巷外段位置关系平面图如图 1所示 图1 53采区集中运输巷与5301运输巷外段 位置关系平面图 2孤岛煤柱围岩结构分析与应力分布规律 工作面回采过程中,采空区上覆岩层垮落,基本顶初 次来压形成“0一X”破断,当两侧工作面回采完毕、顶板 垮落稳定后,孤岛煤柱上方的老顶将沿倾向形成对称的砌 体梁结构[7 如图2所示。其中,在上覆岩层结构中对下部 煤层中巷道稳定性影响最大的是老顶的弧三角形块B,关 键块B的稳定性服从S—R稳定性原理_8]。 根据矿井的生产地质条件,由数值模拟得出孤岛煤柱 的支撑应力分布规律,如图3所示。可以看出18.5m宽孤 岛煤柱内的应力分布呈现三角拱形分布,煤柱应力峰 值为19.2MPa,应力集中系数3.1;煤柱两侧(0—3.8m和 1 2 在煤柱内不同位置布置巷道对煤柱内应力分布的影响程度 差别很大。煤柱内合理的巷道布置方法要能够保持煤柱不 发生失稳破坏,同时要能够保持巷道围岩的稳定。因此, 巷道布置应尽可能减少对上覆围岩大结构 的扰动影响, 从而保证孤岛煤柱的整体稳定性。由煤柱应力分布图可得 巷道布置在煤柱两侧低应力区(0~3.8m和14.2~18.5m)比 布置在中部应力峰值处对上覆老顶的影响要小很多,此外 在老顶弧形三角块B结构的保护下,巷道围岩压力较小, 维护也较容易。 孤岛煤柱应力分稚 拍规 。 八m 6 2 /  悯 : / \原岩应:, i \f  /:/ 、 0 2 4 6 8 l0 l2 14 16 l8 距54o1 ̄面采空区煤帮距离,m 图3孤岛煤柱内应力分布图 3巷道合理位置数值分析 3.1数值模型的建立与模拟方案 结合现场生产地质条件,为避免上区段5105工作面采 空区积水对煤柱的弱化影响,选择把巷道布置在煤柱的下 区段侧,即沿着5401工作面采空区留窄煤柱布置巷道,模 拟示意图如图4所示。为便于分析说明,将孤岛煤柱分为 两部分,定义集中运输巷左侧靠近5401采空区一侧的煤柱 为“窄煤柱”,靠近5105采空区一侧的煤柱为“宽煤柱”。 取窄煤柱宽度3m、4m、5m、6m、7m共5种方案进行数值 计算分析比较。 模型长400rn,宽100m,高60m,模型四周位移约束,限 制水平移动,底部固定。根据埋深上表面施加6MPa的垂直应 力,采用M0}lr—Co ̄omb屈服准则。煤岩力学参数见表1。 3.2 窄煤柱宽度对煤柱稳定性影响分析 不同模拟方案下集中运输巷掘巷后。宽窄煤柱内应力 峰值变化情况如图5所示。可见窄煤柱宽度在3—7m变化 时,窄煤柱内应力峰值波动比较明显.而宽煤柱内应力峰 值变化较稳定。 2017年第5期 煤炭图4数值模拟示意图 表1煤岩力学参数表 螽 。// 。絮 . 。 / / 一窄煤柱 :—/—一宽煤柱 1)窄煤柱宽度为3m时,其应力峰值分别为2.8MPa, 远低于原岩应力,窄煤柱裂隙发育甚至贯通,窄煤柱的稳 定性难以保证;窄煤柱宽度为4m、5m时,其应力峰值为 4.4MPa、5.93MPa,仍小于原岩应力,但相较于3m宽窄煤 柱应力峰值分别增加了1.6MPa,3.13MPa,说明窄煤柱已 经具有一定的稳定承载区域。由孤岛煤柱的围岩结构分析 可知.此时窄煤柱处于应力降低区,在顶板围岩大结构的 保护下,集中运输巷的维护将会比较容易;随着窄煤柱宽 度进一步增大到6m、7m,其应力峰值分别为9.5MPa、 12.2MPa.增速较大且大于原岩应力。此时窄煤柱处于高应 力集中状态,受开挖应力扰动影响,窄煤柱极易发生破坏, 进而加大集中运输巷的变形控制难度。 2)窄煤柱宽度为3 6m时右侧宽煤柱应力峰值远远大 于左侧窄煤柱应力峰值,当窄煤柱宽度增加到7m时,宽窄 煤柱应力峰值较接近,但仍小于宽煤柱应力峰值,由此说 明宽煤柱对孤岛煤柱的稳定性起决定作用。窄煤柱宽度增 加对右侧宽煤柱内应力峰值影响甚微,但会直接导致右侧 宽煤柱内的稳定承载区域逐步减小进而引发煤柱尖点破 坏|l ,最终导致煤柱失稳,因此从稳定承载区域角度考 工程 虑.窄煤柱宽度越小越有利于孤岛煤柱的稳定。 3.3 窄煤柱宽度对巷道变形的影响 O 8 6 4 2 O 8 6 4 不同窄煤柱宽度开挖下巷道围岩变形如图6所示,由 图6可知:巷道顶板下沉量随窄煤柱宽度增加而减少,但 整体下降幅度不大:窄煤柱宽度5~7m时,巷道底鼓量增 长较快。这主要是由于下部底板在窄煤柱高应力的状态下 发生了滑移.进而引起巷道底板错动发生前切破坏_3 J,由 此也间接说明窄煤柱内完整区域的进一步扩大,承载能力 提高;两帮移近量变形呈现先平稳增加(3—4m)后急剧增加 (4~7m)趋势,当窄煤柱宽度为7m时,两帮围岩变形量达 到了1073mm.此时巷道变形破坏最严重,由此印证了将巷 道布置在孤岛煤柱中间的不合理性。 窄煤柱宽度,m 图6巷道围岩变形与窄煤柱宽度的关系 综合以上分析,沿5401采空区留4m窄煤柱掘巷时窄 煤柱内能形成稳定的应力集中区,且巷道变形较小,同时 考虑到5401回风平巷和5煤三采区集中运输巷两帮锚杆不 能相互碰撞给施工带来不便,确定窄煤柱宽度为4m。 4巷道围岩控制技术 为达到良好的支护效果。充分发挥锚杆调动围岩自承 载能力的作用,必须保证锚杆(索)支护的有效性与合理 性_1 。巷道两帮锚杆初步设计长度为2400mm,现场施工 时.窄煤柱帮两侧部分区域因超挖造成实际宽度小于4m, 通过现场试验段返回信息可知.当集中巷窄煤柱帮采用 L2400mm锚杆支护时,锚杆极易深入煤柱破碎区,锚杆端 部无牢固着力基础,部分锚杆锚固力明显不足,因此为最 大化发挥锚杆对围岩的强化作用,将集中巷300m以外窄煤 柱帮锚杆长度调整为1800mm。由现场拉拔试验可得,锚杆 锚固力普遍大于100kN,基本上杜绝了失效锚杆,提高了 锚固效果。其他具体支护参数如下: 顶板支护:锚杆间排距700mm×800mm.直径均为 20mm、长度2400mm的左旋无纵筋高强度螺纹钢锚杆,锚 固采用树脂药卷锚固.树脂药卷规格:1支CK2335、1支 Z2360,锚杆预紧力矩为300N・m,顶板铺金属网5000mm ̄ 900ram,10 铁丝网规格为40mm ̄40mm。 两帮支护:锚杆间排距850mm×800mm。直径均为 20mm、左帮长度1800mm,右帮长度2400mm的左旋无纵 筋高强度螺纹钢锚杆,锚杆预紧力矩为300N・m,采用树脂 药卷锚固,树脂药卷1支CK2335、1支Z2360,两帮铺金属 】3 煤网3300mmx900mm.10 铁丝网规格40mm ̄40mm 炭工程 2017年第5期 稳定承载力;随窄煤柱宽度增加,两帮移近量呈现先平稳 增加(窄煤柱宽3~4m)后急剧增加的(窄煤柱宽度4~7m) 变化,考虑孤岛煤柱稳定性并结合现场条件最终确定巷道 锚索支护:锚索间排距为2200mm×2400ram.直径 17.8mm,长度8300mm,采用树脂药卷锚固,每根锚索使 用树脂药卷1支CK2335、2支Z2360,锚固长度1500ram, 每根锚索采用一块规格为300mmx300mmx 16mm的高强蝶 形托盘,配套锁具和调心球垫,锚索预紧力为120~150kN。 巷道支护断面图如图7所示。 合理位置留设在距5401采空区4m位置处。 3)针对巷道破碎围岩,采用高强高预应力锚杆(索) 进行组合加固,结合现场拉拔试验确定了合理的支护参数, 现场监测期间两帮的最大变形量为350mm,顶底板最大移 近量为130mm,围岩变形速度在掘巷后第25天趋于零,巷 道围岩稳定性得到了有效控制。 参考文献: [1] 华心祝,刘淑,刘增辉,等.孤岛工作面沿空掘巷矿 特征研究及工程应用[J].岩石力学与工程学报,201】 (8):1646—1651. [2] 张炜,张东升,陈建本,等.孤岛工作面窄煤柱沿空掘 巷围岩变形控制[_I].中国矿业大学学报,2014(1):36— 42.55. 图7巷道支护断面图(111111) [3] 陈[4] 许峰,张明,逯雨兵.孤岛煤柱下巷道布置位置研究 [J].煤矿安全,2016(4):68—71,75. 掘巷后对巷道围岩变形进行了60d的监测,在掘后的 最初5d内围岩变形速度较快,最大达到51mm/d,第25天 磊,柏建彪,王襄雨,等.煤柱支承压力影响下巷道 围岩控制技术[J].煤矿安全,2011(4):51-53. 围岩变形速度2mm/d.说明巷道已逐渐稳定基本不再变形。 监测期间内两帮的最大变形量为350ram,顶底板最大移近 [5] 臧龙,谢文兵,荆升国,等.孤岛煤柱下破碎软岩巷道 支护技术研究[J].煤炭科学技术,2014(3):8—11,16. [6] 汪华君,朱恒忠,张继华.大倾角下山孤岛煤柱安全开采 量为130mm,均在可控范围内.巷道围岩稳定性得到了有 效控制。 实践[J].煤矿安全,2014(11):129—132. [7] 钱鸣高,缪协兴,何富连.采场“砌体粱”结构的关键块 分析[J].煤炭学报,1994(6):557-563. 5结论 [8] 钱呜高,张顶立,黎良杰,等.砌体梁的“S-R”稳定及 1)两侧工作面回采后,孤岛煤柱上覆岩层将形成弧形 三角块结构,在弧形三角块的保护下.下部煤层靠近采空 区将形成一定范围的低应力破碎稳定区,结合孤岛煤柱应 力分布规律.得出该区域为煤柱两侧0~3.8m和14.2~ 18.5m之间,为煤柱中巷道合理布置提供了理论依据。 2)通过数值分析得出当窄煤柱宽度小于5m时.窄煤 柱处于低应力环境,窄煤柱宽度4—5m窄煤柱具有一定的 (上接第10页) [3] 王宏图,江记记,王再清,等.本煤层单一顺层瓦斯抽采 钻孑L的渗流场数值模拟[J].重庆大学学报,2011,32 (4):24—29. 其应用[J].矿山压力与顶板管理,l994(3):6—11,8O. [9] 侯朝炯,李学华.综放沿空掘巷围岩大、小结构的稳定性 原理[J].煤炭学报.2001(1):1-7. [10] 王连国,缪协兴.煤柱失稳的突变学特征研究[J].中阚 矿业大学学报,2007(1):7—11. [11] 侯朝炯.煤巷锚杆支护的关键理论与技术[J].矿山压力 与顶板管理,2002(1):2-5,109. (责任编辑郭继圣) [8] 陈学习,常忠乾,胡华磊,等.本煤层瓦斯抽采钻孔气囊 封堵带压注浆密封技术[J].煤炭工程,2014,46(10): 134-l36. [4] 郝天轩,宋超.数值模拟结合SF6示踪法确定煤层钻孔 [9] 徐乃忠,涂敏,韩磊.基于三维建模的煤矿瓦斯抽采 瓦斯抽采有效半径[J].中全科学学报,2013,23 (1):22—27. 钻孑L设计[J].煤炭工程,2013,45(4):128—130. [10] 王兆丰,周少华,李志强.瓦斯抽采钻孔有效抽采半径的 数值计算方法[J]煤炭工程,2011,43(6):82—84. [5] Zhang Chunhui,Zhao Quansheng,Yu Yongiiang.Model of CO— pled gas flow and delormation process in heterogeneous coal 魏国营.秦宾宾.煤体钻孔瓦斯有效抽采半径判定技术 [J].辽宁工程技术大学学报(自然科学版),2013,32 (6):754—758. seams and its application[J].Journal of Coal Science&Engi— neefing(China),2011,17(1):76—80. [6] [7] 徐东方,王兆丰.压降法测定钻孔的抽放影响半径试验研 究[J].煤矿安全,2009,39(5):1—3. Yao Duoxi,Xu Jiying,Lu Haifeng.Nonlinear coupling analy— sis of coal seam floor during mining based on FLAC 。[J]. ]oumal of Coal Science&Engineering,2011,17(1):22—27. [12] 李书文.新安矿顺层抽采钻孔不同深度处负压分布情况研 究[J].煤炭工程,2013,45(5):103-104,108. [13] 李子文,林柏泉,郭明功,等.基于一维径向流动确定钻 孔瓦斯抽采有效影响半径[J]煤炭科学技术,2014,42 (1Z):62—64. (责任编辑张宝优) 14 

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