特厚煤层综放工作面沿空掘巷围岩稳定性分析

特厚煤层综放工作面沿空掘巷围岩稳定性分析

六安煤矿公司常村煤矿的开采方法是一种传统的大型断面开采方法，需要留下大的石柱保护道路，导致大量的煤炭损失。下一条道路通常位于煤层直接浮力范围内，导致更大的损坏。近几年来,常村煤矿在采用综采放顶煤沿空掘巷技术方面取得了很大的进展,通过科学的设计,加强对围岩变形的观测以及对规律的总结,很好地将沿空巷道应用在综采放顶煤工作面中,大大提高了采区回采率,节省了巷道的支护费用,取得了较好的经济效益。1煤体支护的对象综采放顶煤工作面沿空掘巷在采空区一侧的煤体中掘进,支护的对象是煤体。因此,研究巷道上覆老顶岩层垮落特征、直接顶和煤体的稳定性是确定掘进巷道位置的基础。1.1煤层厚度为6.32m的深灰色泥岩巷道常村煤矿S2采区是矿井的首采区,在+520水平井底车场附近的高级储量区,S2-5采用综采放顶煤回采法,埋深300m,煤层厚度4.85～7.32m,平均6.05m,倾角3°～6°,巷道沿底板掘进,煤层的直接顶有两层岩石,一层为1.72m厚的深灰色泥岩,另一层为黑色粉砂岩,厚度0.52m;老顶为灰白色中砂岩,平均厚度8.24m,单轴抗压强度平均为88.5MPa,煤层的底板为中细砂岩,平均厚度3.4m。1.2工作面煤体碎胀量计算在综采放顶煤工作面中,随着工作面的推进,上覆岩层具有明显的依次向上发展的分层组合运动的特征,这种运动往往是受上覆岩层中一层或者几层力学性能好的坚硬岩层控制,这里的坚硬岩层就是关键顶,如S2-5工作面的灰白色中砂岩。其顶板断裂是以板的形式进行的,由下往上板的面积逐渐减少,到达一定高度后岩层形成一“类拱大结构”,该结构以两侧岩体为支承点,距采场较远,承担了采场上方大部分岩层的重量,其上部载荷并不直接施加于采场,而是通过两侧的支承点传递到采场两侧。工作面回采后,在侧向有7m宽的煤层不放顶煤,加上顺槽的宽度3.4m,共计有10m左右的顶煤不放,这样该范围内3.15m厚的顶煤属于垮落范围;其次,紧靠煤层上方的直接顶1.72m的泥岩和0.52m的黑色粉砂岩随工作面的前移而垮落。老顶在侧向煤层深部断裂,由于自重及上覆岩层载荷的作用,向采空区方向回转下沉,直到一端在采空区处触到垮落的矸石,另一端支撑在煤壁中,形成稳定的力学平衡,这种回转才会停止。老顶在采空区中触到矸石时的下沉量S为:S=M-[h1(K1-1)+h2(K2-1)]式中:M——综放工作面采高,为2.9m;h1——顶煤厚度,为3.15m;K1——煤体碎胀系数,取1.3;h2——直接顶厚度,为2.22m;K2——直接顶碎胀系数,取1.17。将数字代入上式可得S=1.6m。由于老顶为灰白色的中砂岩,比较坚硬且厚度达到8.24m,在垮落后形成一个“小结构”,主要承担其上覆岩层中采场“类拱大结构”下垮落岩石的重量,而上部大部分岩体的重量压在了“类拱大结构”上,形成对“小结构”的某种庇护,减少了应力的过度集中,对沿空巷道位置的确定意义重大。1.3斜面向采空区煤层运动轨迹通过对S2-5工作面直接顶和煤体在垮落中和垮落后的观测,可得出如下结论。(1)直接顶的位移与其附近煤层的变动趋势是一致的,采空区一侧煤层的整体运动表现为沿一斜面向采空区滑落。(2)采空区侧翼10m左右没有放顶煤的地段的垂直位移远大于水平位移,煤体表现出明显的向下滑落的倾向。(3)侧向煤体的顶、底板岩石位移值呈现递减趋势,而离采空区3～5m范围内水平位移比较缓慢,垂直位移则衰减比较快,煤体下部的垂直位移很小。2煤体中老顶的作用经过对S2-5工作面垮落区的连续观察,并结合S1采区几个工作面的采空侧压力规律的总结,发现直接顶与煤体在侧向具有相似的应力分布特点:支承压力峰值均位于关键层(老顶)在煤体中的断裂处,在靠近采空区一定范围内,煤层内存在低应力区,适合布置沿空巷道。老顶垂直应力分布起伏不平,总的趋势是应力集中程度较小,表明其分布载荷并不大,其应力集中的峰值点位于断裂线之外,也即在煤体应力峰值之外(见图1)。这一点与实际观测结果基本一致,说明老顶在此处的作用有两个方面:(1)作为煤层中的一层主要顶板,本身的自重对下部岩层和煤层施加载荷;(2)承担了上覆岩层的部分压力,并可将这些压力传递到下部的直接顶和煤层。所以老顶(关键顶)在采空侧断裂活动中对支承压力的分布起重要作用。3煤体支护方式的选择主要分为3.沿空掘巷位置的确定,是建立在研究采空区侧翼支承压力分布规律的基础上的,通过数值模拟和现场实测,确定厚煤层综放工作面采空区低应力区的范围,使沿空掘巷位置避开高应力区,最大限度地减轻应力集中区的影响。依据S2-5工作面采空区侧煤岩体支承压力分布规律,将其分为破裂区、塑性区和弹性区,这样沿空掘巷的位置可以有3种选择:(1)在弹性区中留大煤柱的掘巷方式;(2)在塑性区中留较大煤柱的掘巷方式;(3)在塑性区中留小煤柱的掘巷方式。从理论和实践两方面来看,在弹性区中留大煤柱的掘巷方式,在掘进和回采过程中变形很小,但煤柱留得过大,煤炭浪费严重,不宜采用。在塑性区中留较大煤柱的掘巷方式,巷道处于煤体应力的峰值区内,在掘进和回采过程中变形量很大,难于维护,不宜采用。在塑性区中留小煤柱的掘巷方式较为理想,此位置处于煤体的低应力区中,在采空侧老顶“小结构”保护之下,掘进时不会引起支承压力和煤体力学状态的明显变化,所以采用此种方式不仅掘巷稳定期内围岩变形小,而且从采空区挡矸、防水、巷道施工管理、进度以及锚杆支护的推广使用等方面来看都最为有利。在低应力区中留小煤柱的掘巷方式,煤柱尺寸确定为5～10m,非特殊情况一律定为5m,同时巷道采用锚杆支护,可充分发挥其主动支护的作用,对巷道周围煤体产生一定的侧向约束力,使其强度在一定程度上有所提高。再者,由于提高了围岩的自承能力,巷道在回采过程中变形也会得到较好的控制,保证巷道的稳定性。4围岩支护特点常村矿井S2-5工作面两顺槽沿煤层底板掘进,煤柱净尺寸为5m,支护形式为锚网加锚索支护,轨道顺槽巷道断面为3.4m×3.0m,采用Φ20mm×2400mm的高强度树脂锚杆,顶上5根,两帮各4根,排间距800mm,每隔1.6m上Φ16mm×8300mm的锚索一根。根据实测,综采放顶煤工作面沿空掘巷围岩变形有以下特点。(1)沿空巷道在掘进期间内,两帮移近量和顶底板移近量同在弹性区,施工管理、技术手段差别不大。(2)工作面回采期间,巷道变形主要以两帮的移近为主,大约是顶、底板移近量的2～3倍,在顶、底板移近量中,底鼓量大于顶板下沉量,巷道顶板比较完整,下沉均匀,在两帮移近量中,实体煤帮移近量较煤柱侧的移近量要大些,巷道实体侧下部的移近量大于上部的移近量,表现为向巷道内滑落的趋势。(3)在靠近工作面的端头段,老顶岩层的破裂结构发生失稳垮落,直接顶和煤体上的载荷增大,导致巷道变形严重。(4)工作面回采期间,沿空巷道超前影响距离约为60～80m,工作面前方20m范围内底鼓较大,需要清底,并加强超前支护。5煤体支护的稳定性分析(1)综采放顶煤工作面上覆老顶的岩层,在工作面推进后,于采空侧断裂回转下沉,形成侧向稳定结构,对下部煤体中的沿空巷道起到一定保护作用,如将沿空巷道位置选定在该结构下,可以保持较好的稳定性。(2)综采放顶煤工作面采空侧的直接顶和煤体变形较复杂,煤体具有向采空区滑落的趋势,应采用锚索等高强度支护加固巷道