B050310 “三软”煤层中的窄煤柱护巷技术.doc

“三软”煤层中的窄煤柱护巷技术张 敏 王树全【淮南矿业(集团)公司谢桥煤矿】摘 要 介绍谢桥矿首次在1212(3)综放工作面下顺槽中施行沿空留设窄煤柱护巷的应用情况,叙述留设窄煤柱锚网支护的可行性及存在的优缺点，为类似煤层巷道设计及工作面回采提供参考。关键词 窄煤柱 沿空巷 支承压力 技术对策C13-1煤层的坚固性系数f值为0.31.3，属典型“三软”煤层。它是谢桥矿的主采煤层之一。该煤层实体巷道采用锚网支护。随着煤层开采，工作面一侧沿空。为此，率先在1212(3)下顺槽进行留设窄煤柱护巷锚网支护试验，取得较好效果。1 试验巷道概况1.1地质条件C13-1煤层赋存稳定，走向稍有变化，煤厚平均5.26m。煤层倾角为1215，平均为13.5。煤层结构自底板向上较复杂，普遍发育12层炭质泥岩或泥岩夹矸。煤为块状和粉末状。煤层顶板向上依次为3.73m厚的砂质泥岩、2.55m厚的粉细砂岩，底板为1.8m厚的砂质泥岩。巷道埋深500m。1.2 护巷煤柱尺寸1212(3)综放工作面为西一采区西翼一阶段，下邻1222(3)工作面采空区，下顺槽为沿空巷。由于下侧邻近工作面回采期间工作面控制不好，刮板运输机上窜，局部撕上帮较多，故巷道实际煤柱宽度为4.58.0m，沿顶掘进。切眼向外依次为：留设4.5m煤柱段长380m、留设8m煤柱段长120m，这两段巷道采用锚网支护,断面为直墙斜顶梯形，宽中高为4.62.8(m)；余下的巷道段留设8m煤柱，采用U29钢棚支护，拱型断面，净宽净高为53(m)，棚距为600mm。2 支护设计参数下顺槽顶板使用6根直径20mm、长2500mm等强螺纹钢锚杆,间排距为840800(mm)。锚杆用2卷Z2380型树脂锚固剂卷全长锚固。高帮使用5根直径20mm、长2200mm等强螺纹钢锚杆，间排距为700800(mm)。低帮使用4根直径20mm、长2000mm等强螺纹钢锚杆，间排距650800(mm)。锚杆用Z2380型和K2335型树脂锚固剂卷各1卷加长锚固。顶板上每隔2排锚杆布置1排2根长5.3m的锚索，孔深5m。锚索用1卷K2335 型 和2卷Z2380型树脂锚固剂卷锚固。巷道支护断面如图1所示。图1 支护断面示意图3 矿压观测分析对1212(3)下顺槽两个锚网支护段及一个架棚支护段掘进及回采期间表面位移进行了长达18个月的观测，对所收集的实测数据整理分析见表1、2和图2、3、4。表1 回采期间巷道围岩移近量比较支护段煤柱宽度(m)顶底板移近量(mm)两帮移近量(mm)I测站测站平均I测站测站平均锚网4.51667166316651193109911468.0176617661771141315711492架棚8.0180918511830148615531520表2 掘进期间巷道围岩移近量比较支护段煤柱宽度 (m)两帮移近量(mm)I测站测站测站平均锚网4.56506946756738.0935929972945架棚8.08721028980960图2 巷道围岩移近量曲线图(掘进期间)图3 巷道围岩移近量曲线图(回采期间) 图4巷道围岩移近量曲线图(回采期间)由以上图表可看出，无论留8m煤柱的锚网或架棚支护段还是留4.5m煤柱的锚网支护段，围岩的移近量均较大。 巷道变形在掘后3天最为剧烈，3天后变缓，20天后趋于稳定。受工作面采动影响，巷道变形量超前工作面140m影响微弱、超前工作面50m加剧、超前工作面35m则剧烈。留设窄煤柱护巷则矿压显现比较明显。其原因是巷道离采空区较近，受巷道掘进及工作面采动影响，致使巷道围岩变形量以较快速度持续增大。1212(3)下顺槽与1222(3)采空区之间留设4.58m煤柱。这种留设窄煤柱巷道掘进前及掘进后所引起的应力分布见图。图中1为下顺槽掘进前采空区实体煤附近煤体的应力分布曲线，2为下顺槽开挖后最终形成应力分布曲线。(I剧烈区；II塑性区；III弹性区内应力增高部分；IV原岩应力区)图5 应力重新分布示意图1212(3)下顺槽掘进前，其与1222(3)采空区之间的窄煤柱在靠近采空区部分为破碎区,靠近巷道部分原为煤体深部承受高压的塑性区。1212(3)下顺槽掘进后,煤体的强度急剧降低,窄煤柱受破坏而卸载,引起煤柱向巷道方向剧烈位移。1212(3)下顺槽另一侧的煤体在下顺槽掘进前为承受高压的塑弹性区,下顺槽掘进后则随着剧烈区、塑性区的形成和支承压力向煤体深部转移,引起煤体向巷道方向显著位移。与此同时,伴随有顶板剧烈下沉和底板臌起。1222(3)工作面回采后,受侧向支承压力作用侧向塑性区的煤层处于压缩流变状态,加之1222(3)采空区内岩石的冒落,使采空边缘处直接顶和老顶缓慢下沉；1212(3)下顺槽掘进对煤层顶板产生扰动,顶板压力向巷道两侧的煤柱和煤体转移并由它们支承,同时巷道两侧的煤柱和煤体因所储存的弹性能释放而向巷道方向产生剧烈位移；当1212(3)工作面回采时,巷道受工作面前方超前支承压力与1222(3)采空区侧向残余支承压力叠加形成的集中应力影响,再次引起直接顶和老顶岩层的运动,煤柱被压酥,煤体碎胀,巷道表面产生剧烈变形。4 存在问题及技术对策1212(3)下顺槽7个月掘完，先采取架棚支护，后改为锚网支护。在顺槽掘进及工作面回采期间，针对窄煤柱护巷出现了问题，采取了不同的技术对策。掘进期间，受地质构造及其它异常因素影响，巷道变形严重。现场采取了如下措施。其一是采用锚杆、钢棚联合支护。因沿空侧采空区刷帮或其它原因，造成窄煤柱宽度缩小，巷道支护形式变为巷道顶板和实体侧煤帮沿用原锚网设计参数支护而煤柱侧采用架U29型钢棚或矿用工字钢棚的联合支护。其二是当巷道遇断层等地质异常带时，及时加大支护强度。采取加大锚杆锚固长度、缩小锚杆和锚索的间排距或采用U29型钢棚支护。其三是当煤层松软造成煤柱侧施工的锚杆锚固效果差，煤柱受压松散垮落导致巷道漏风时,采用煤壁注浆及浇注混凝土墙封闭补强措施，效果良好。回采期间，巷道尤其是架棚支护段,受工作面采动压力影响，收缩变形严重，难以满足工作面正常回采要求。为控制巷道变形，保证工作面正常推进，现场采取了如下措施。其一是分区段多次卧底。巷道沿煤层顶板布置，其两帮与底板为松软煤层，属巷道围岩的薄弱区。因而巷道两帮移近量及底臌量大，使断面缩小，造成下顺槽开关车、转载运输机等设备拉移困难，且无行人通道。现场采取超前工作面多次卧底，即在下顺槽拉开关车、缩皮带机尾和拉转载运输机前，分别对开关车外口(距工作面100m左右)、开关车里口至转载运输机(距工作面2560m段)、转载运输机头至工作面处巷道的轨道侧、皮带侧及转载机过桥段进行卧底，且严格控制卧底量。卧底后的巷道高度以满足设备的拉移及行人安全为原则。卧底作业需紧邻回采工作之前，以减轻采动压力对巷道围岩的破坏，控制巷道变形。其二是增加超前管理的范围和强度。为减弱工作面采动压力对巷道的影响，减小超前加剧、剧烈区范围内巷道的变形，走向挑棚范围由超前工作面20m变为超前工作面100m，其中锚网支护035m段为三排、35100m段为双排，架棚支护挑顶改棚段为三排，挑顶改棚口至lOOm段为单排；4.5m工字钢一梁四柱变为一梁五柱；单体支柱“穿鞋”，增加对底板比压。其三是超前刷帮挑顶改棚。架棚支护段巷道因受压力影响，巷道由原倒立U形变为倒立的V形，断面小、不能满足通风要求。为保证工作面正常回采及降低生产成本须超前改棚，而大压力形成的变形给工作面改运棚造成了足够的难度，影响了工作面生产。现场采取了将V形钢梁锯断运出及超前工作面转载机头58m刷上帮、后面超前煤壁35m挑顶改棚。锚网支护段巷道因变形严重而断面收缩变小，满足不了通风要求。现场采取超前工作面煤壁35m刷下顺槽上帮，扩大下出口断面以满足行人及工作面通风。其四是加强巷道薄弱区。受构造带影响，顶板破碎、完整性差的锚网支护段巷道属薄弱区，受采动影响更为剧烈，变形量更大。现场实测4.5m煤柱受构造带影响段巷道位移量顶底板为1835mm、两帮为1198mm，相对于完好顶板断面收敛率增加20。对此，现场采取超前工作面转载机头50m、动压影响范围以外，采用4m工字钢套棚，取得良好效果。 5 结论与建议 综上所述，1212(3)下顺槽采用窄煤柱护巷基本上是可行的，但大变形不可避免。为保证工作面高产高效，优先采用锚网支护并对支护参数进一步优化。锚网支护有利于实现工作面高产高效。架棚支护在工作面回采过程中须超前工作面煤壁挑顶改棚，且回棚、拉移转载机困难；而锚网支护没有挑顶改棚及回棚工序对工作面生产的影响，经适当卧底基本上不妨碍下顺槽转载机的拉移，有利于工作面快速推进。采用锚网支护平均推进速度(118.9m月)相对于架棚支护(88.3m月)提高了35。根据计算机FLAC3D数值模拟，C13-1煤层沿工作面采空侧煤体中主应力分布状况为：05m范围内为应力降低区，518m内为应力增高区，18m以外为原岩应力区。顶底板变形量在煤柱尺寸小于8m的情况下差别不大，而煤柱尺寸等于4.5m时两帮移近量最小。另外通过现场实测，掘进期间4.5m煤柱相对于8m煤柱巷道两帮移近量小，回采期间4.5m煤柱比8m煤柱两帮移近量少365mm,而顶底板移近量相差不大。设计沿空巷道时，适当减小煤柱宽度，使巷道处于采空区应力降低区内，避开应力增高区，从而减小侧向残余支承压力对巷道的影响，控制巷道变形。在现有的技术条件下，巷道上覆岩层的活动是不可控制的，绝对控制巷道变形是不可能的，只能相对地减少巷道松散变形。尤其是沿空巷道，为了更有效地减少巷道围岩的松散变形，巷道宜采用锚网支护并对现有的支护参数进一步优化。(1)采用高强度螺纹钢可延伸锚杆。该锚杆安装后即能适应巷道初期变形，并提供较高的工作阻力，使锚杆能维护好围岩不致于垮落，又能很好地让压而不致损坏。(2)帮部锚杆宜采用全长锚固，同时增加锚杆长度及布置密度。(3)巷道两帮底角与顶板肩窝处在开掘卸载后为应力集中点，加固底角可有效减弱该处的应力集中程度，避免底角过早破坏而引起巷道两帮和底板的较大变形。为加固底角和肩窝处以便有效地控制底臌，应使两帮顶底锚杆的倾角加大，使其与水平线夹角为25，增大底角与肩窝处围岩的