综放异形煤柱沿空留巷围岩松动圈演化与控制

WANG Jin-an , WE IW en -b ing, FENG Jin -yan
( School of C ivil and E nvironmen ta l E ng ineering, B eijing U niversi ty of S cien ce and T echnology, B eijing 100083, Ch ina )
1 概
况
靖远煤业有限责任公司红会四矿 4702 工作面 是综合机械化放顶煤 开采工作面。其上部以北为 4604工作面, 该工作面 原设计为综采工作面 , 但 在施工过程中遇见空巷、空棚 , 探测区内仍有非正 常区, 已无法按原设计进行综放开采。经过研究 , 调整为首先综放开采下区段的 4702 工作面。两工 作面之间有 5~ 30 m 宽、长度约 300 m 异形煤柱相 隔 (图 1) 。尽管 4604 工作面无法综放开采, 但鉴 于该采面整个生 产系统已基本形成, 决定在 4702 综放面开采期间和开采后 , 经过排放积水和通风处 理等措施, 可利用已 有生产系统用 其它方法回采 4604工作面内受侵扰的煤炭资源。 ( 1) 4604 机巷为锚网支护 巷道, 巷道高 2 9 m, 宽 3 7 m。顶板支护采用 14 mm 快硬水泥金 42
Evolution and control of surrounding rock releasing ring in m ine gatew ay of fully m echan ized top coal caving m ining face w ith irregular coal pillars retained for next sublevel
, 松动圈所处的区域 , 其实就
( 1) 煤柱宽 5 m 时 , 整个煤柱内的垂直应力 均小于原岩应力 6 5M Pa, 说明煤柱内两侧的松动 区已贯通; 煤柱宽 10 m、 15 m、 20 m 时 , 煤柱内 两侧均有厚约 2 5 m 的 松动区; 煤柱 宽 30 m 时 , 煤柱内靠近巷道侧有厚度约为 1 3 m 的松动区 , 煤 柱内靠近采空区侧有厚度约为 3 m 的松动区。 ( 2) 从不同煤柱宽度时松动圈厚度大小对比 看 , 煤柱宽 20 m 以下时 , 巷道受采动 影响较大 , 而煤柱宽 30 m 时受采动影响很小, 这一点从不同 43
图 3 理论分析围岩状态 [ 1]
采动影响下的力学状态 进行数值模拟 分析, 由于 4604沿空留巷稳定的关键在于对护巷煤柱进行很 好的加固和控制。因而, 此处主要对 4604 机巷下 山侧煤柱内的松动区进行分析 , 松动区的范围根据
图 2 4604 机巷顶底板岩性分布示意
巷道周边的垂直应力来判断, 近似认为垂直应力小 于原岩应力的区域为松动区。在建立数值计算模型 时 , 围岩内的原始垂 直应力近似按 上覆岩层重量 ( H ) 来进行计算 , 根据该巷道的地质资料和埋深 确定出煤柱内的初始垂直应力约为 6 5 M Pa 。 图 4 为加固前在 4702 工作面采动影响下不同 煤柱宽度时煤柱内垂直应力分布曲线 ( 图 4 中横 坐标为零处是护巷煤柱靠近采空区侧煤壁的位置 , 横坐标 - 5 , - 10, - 15 , - 20 , - 30 m 分别是不 同煤柱宽度时护巷煤柱靠近巷道侧煤壁的位 置 ) , 从中可大概判断出加固前煤柱内松动区大小。
[ 2]
4 增强锚杆支护参数的确定
对受采动影响的巷道, 有 2 种松动圈厚度值 : 一是采前静态松动圈 L po, 二是采动影响最大时松 动圈数值 L pd。文献 [ 2] 指出 , 在对采动影响巷 道进行锚喷支护设计时 , 有 2 种方法: ① 根据静 态松动圈 L po设计 , 此种方法有利于提高掘进施工 速度和降低巷道成本 , 不过回采期间须超前工作面 20~ 50 m 增设加强支护 ; ② 根据动压松动圈 L pd进 行设计 , 此种方法能改善工作面端头支护状况和简 化工作巷道的超前支护, 有利于回采工作面的顺利 进行。 对于该文中的综放沿空留巷, 由于受采动影响 很大, 采前静态松动圈近似为 1 3 m, 而动压松动 圈则达到 2 5 m, 几乎增加了 1 倍。如按动压松动 圈进行设计 , 则所设计的锚杆会太长而不经济。而 如按静态松动圈设计 , 由于考虑到采动影响太大 , 所设计的锚杆长度值会太小, 即使回采期间超前增 强支护 , 恐怕也难以保证巷道的稳定性。因此 , 锚 杆参数的设计采取了一种折中的方法 , 即锚杆长度 适当比按静态松动圈设计长, 但比完全按动压松动 圈设计短, 最终确定 煤柱两侧增强 锚杆的长度为 2 2 m, 同时在巷道顶板打上一排锚索, 并在回采 期间用单体液压支柱进行超前临时增强支护。
Abstrac t : W ith the ca lculation o f the num er ica l va lue , the pape r had go t the vertica l stress d istribution around the gatew ay . W ith the ver tica l stress distribution, the paper judged the area o f the re leasing zone a round the ga te w ay . The approx i m ation ho ld tha t the vertica l stress w as sm a ller than the re leasing zone o f the in-situ rock stress a rea . F ro m the d ifferen t coa l p illar w idth , a thickness of the re leas ing ring for the g ate w ay of fu lly m echan ized top coa l cav ing m iing face reta ined for next leve l can be obta ined. B ase on the th ickness ca lcu la tion of the re leasing zone , a bo lt para m eter des ign w as m ade . A fter the site investigation, a good suppo rt result w as obta ined. K ey word s : re leased r ing ; fu lly mechan ized top coal cav ing; irregular coal p illars ; gateway reta ined for next sub leve l
图 5 加固后不同煤柱宽度时煤柱内垂直应 力对比
的松动区已接近贯通; 煤柱宽 10 m 时, 煤柱内靠 近巷道侧松动区厚度约为 2 1 m, 靠近采空区侧约 为 2 2 m; 煤柱宽 15 m 时, 煤柱内靠近巷道侧松 动区厚度约 为 2 1 m 的 , 靠近采 空区 侧约为 2 5 m; 煤柱宽 20 m 时, 煤柱两侧松动区厚度均约为 2 5 m; 煤柱宽 30 m 时, 煤柱内靠近巷道侧有厚度 约为 1 3 m 的松动区 , 煤柱内靠近采空区侧有厚度 约为 3 4 m 的松动区。 ( 2) 从加固前后的对比看 , 总体上松动圈厚度 变化不大, 煤柱宽度为 15 m 以下时, 松动圈厚度 略有减小, 这印证了董方庭等曾提出的观点: 锚网 支护并不能明显影响松动圈的厚度, 支护的主要作 用是将破碎的岩体重新约束和连接起来, 形成一个 连续的挤压锚固体来支撑巷道围岩, 加固锚杆也能 很好地控制松动圈内岩体的碎胀变形
。
此外, 文献 [ 2] 在大量现场实测松动圈的基 础上, 提出了以稳定松动圈厚度值为指标的巷道围 岩分类方法。同时对于采动巷道围岩分类按下式进 行折算 : 式中 L pd L k L = kL pd 动压松动圈 , cm; 折算后的静态松动圈Байду номын сангаас, cm; 修正系数, 一般取 0 82~ 0 92。
第 33 卷第 5 期
煤炭科学技术
2005 年 5 月
地质条件简单。一层煤以黑色、块状、半亮型煤为 主 , 贝壳状断口 , 坚硬, 煤的普氏系数 f = 2 2 。巷 道底板约有 0 8 m 厚的煤皮, 底板 0 8 m 以下为粉 砂岩, 巷道顶板约有 6 m 厚的煤层, 再往上主要为 粉砂岩。煤层顶底板岩性如图 2 所示。
2 松动圈厚度的确定方法
在岩体中开挖巷道以后, 破坏了原岩应力的平 衡状态 , 在围岩中产生应力集中, 如果围岩应力大 于岩体强度 , 围岩将产生变形与破坏 , 导致巷周岩 体强度降低 , 从而形成围岩松动圈。理论分析的围 岩状态如图 3 所示 是
[ 1]
图 4 加固前不同煤柱宽度时煤柱内垂直应 力分布
( 3) 异形煤柱指煤柱一方面沿走向方向宽度 发生变化, 另一方面煤柱在综放采场一侧和巷道一 侧的高 度 不对 称。由 于 调 整 了 开 采 顺 序, 使 得 4604机巷变成了异形煤 柱沿空留巷, 而沿空留巷 在采动的巨大扰动压 力影响下, 变 形量将大大增 加。特别是在一次采动影响期间, 顶底板移近速度 会很大 , 巷道变形加剧。而 4604 机巷原支护设计 方案并未考虑 4702 工作面采动影响 , 因此必须在 原支护方案的基础上 , 有针对性地采取巷道围岩控 制措施 , 特别是应该对护巷煤柱进行很好的加固和 控制。而为了确定合适的锚杆支护参数, 有必要对 采动影响下的沿空留巷的松动圈厚度进行分析。
应力降低区 , 即围岩切向应力低于原岩应力
的区域。因此, 在确定巷道周边的松动圈厚度时 , 如果能采取适当的力学分析方法, 计算出应力降低 区的范围, 就可以近似将应力降低区的厚度作为松 动圈的厚度。
3 松动圈厚度的数值模拟计算
采用 FLAC2D 程序对 4604 机巷周边的围岩在