特厚煤層綜放工作面沿空掘巷圍巖穩(wěn)定性分析

六安煤礦公司常村煤礦的開采方法是一種傳統(tǒng)的大型斷面開采方法，需要留下大的石柱保護(hù)道路，導(dǎo)致大量的煤炭損失。下一條道路通常位于煤層直接浮力范圍內(nèi)，導(dǎo)致更大的損壞。近幾年來,常村煤礦在采用綜采放頂煤沿空掘巷技術(shù)方面取得了很大的進(jìn)展,通過科學(xué)的設(shè)計(jì),加強(qiáng)對圍巖變形的觀測以及對規(guī)律的總結(jié),很好地將沿空巷道應(yīng)用在綜采放頂煤工作面中,大大提高了采區(qū)回采率,節(jié)省了巷道的支護(hù)費(fèi)用,取得了較好的經(jīng)濟(jì)效益。1煤體支護(hù)的對象綜采放頂煤工作面沿空掘巷在采空區(qū)一側(cè)的煤體中掘進(jìn),支護(hù)的對象是煤體。因此,研究巷道上覆老頂巖層垮落特征、直接頂和煤體的穩(wěn)定性是確定掘進(jìn)巷道位置的基礎(chǔ)。1.1煤層厚度為6.32m的深灰色泥巖巷道常村煤礦S2采區(qū)是礦井的首采區(qū),在+520水平井底車場附近的高級儲(chǔ)量區(qū),S2-5采用綜采放頂煤回采法,埋深300m,煤層厚度4.85～7.32m,平均6.05m,傾角3°～6°,巷道沿底板掘進(jìn),煤層的直接頂有兩層巖石,一層為1.72m厚的深灰色泥巖,另一層為黑色粉砂巖,厚度0.52m;老頂為灰白色中砂巖,平均厚度8.24m,單軸抗壓強(qiáng)度平均為88.5MPa,煤層的底板為中細(xì)砂巖,平均厚度3.4m。1.2工作面煤體碎脹量計(jì)算在綜采放頂煤工作面中,隨著工作面的推進(jìn),上覆巖層具有明顯的依次向上發(fā)展的分層組合運(yùn)動(dòng)的特征,這種運(yùn)動(dòng)往往是受上覆巖層中一層或者幾層力學(xué)性能好的堅(jiān)硬巖層控制,這里的堅(jiān)硬巖層就是關(guān)鍵頂,如S2-5工作面的灰白色中砂巖。其頂板斷裂是以板的形式進(jìn)行的,由下往上板的面積逐漸減少,到達(dá)一定高度后巖層形成一“類拱大結(jié)構(gòu)”,該結(jié)構(gòu)以兩側(cè)巖體為支承點(diǎn),距采場較遠(yuǎn),承擔(dān)了采場上方大部分巖層的重量,其上部載荷并不直接施加于采場,而是通過兩側(cè)的支承點(diǎn)傳遞到采場兩側(cè)。工作面回采后,在側(cè)向有7m寬的煤層不放頂煤,加上順槽的寬度3.4m,共計(jì)有10m左右的頂煤不放,這樣該范圍內(nèi)3.15m厚的頂煤屬于垮落范圍;其次,緊靠煤層上方的直接頂1.72m的泥巖和0.52m的黑色粉砂巖隨工作面的前移而垮落。老頂在側(cè)向煤層深部斷裂,由于自重及上覆巖層載荷的作用,向采空區(qū)方向回轉(zhuǎn)下沉,直到一端在采空區(qū)處觸到垮落的矸石,另一端支撐在煤壁中,形成穩(wěn)定的力學(xué)平衡,這種回轉(zhuǎn)才會(huì)停止。老頂在采空區(qū)中觸到矸石時(shí)的下沉量S為:S=M-[h1(K1-1)+h2(K2-1)]式中:M——綜放工作面采高,為2.9m;h1——頂煤厚度,為3.15m;K1——煤體碎脹系數(shù),取1.3;h2——直接頂厚度,為2.22m;K2——直接頂碎脹系數(shù),取1.17。將數(shù)字代入上式可得S=1.6m。由于老頂為灰白色的中砂巖,比較堅(jiān)硬且厚度達(dá)到8.24m,在垮落后形成一個(gè)“小結(jié)構(gòu)”,主要承擔(dān)其上覆巖層中采場“類拱大結(jié)構(gòu)”下垮落巖石的重量,而上部大部分巖體的重量壓在了“類拱大結(jié)構(gòu)”上,形成對“小結(jié)構(gòu)”的某種庇護(hù),減少了應(yīng)力的過度集中,對沿空巷道位置的確定意義重大。1.3斜面向采空區(qū)煤層運(yùn)動(dòng)軌跡通過對S2-5工作面直接頂和煤體在垮落中和垮落后的觀測,可得出如下結(jié)論。(1)直接頂?shù)奈灰婆c其附近煤層的變動(dòng)趨勢是一致的,采空區(qū)一側(cè)煤層的整體運(yùn)動(dòng)表現(xiàn)為沿一斜面向采空區(qū)滑落。(2)采空區(qū)側(cè)翼10m左右沒有放頂煤的地段的垂直位移遠(yuǎn)大于水平位移,煤體表現(xiàn)出明顯的向下滑落的傾向。(3)側(cè)向煤體的頂、底板巖石位移值呈現(xiàn)遞減趨勢,而離采空區(qū)3～5m范圍內(nèi)水平位移比較緩慢,垂直位移則衰減比較快,煤體下部的垂直位移很小。2煤體中老頂?shù)淖饔媒?jīng)過對S2-5工作面垮落區(qū)的連續(xù)觀察,并結(jié)合S1采區(qū)幾個(gè)工作面的采空側(cè)壓力規(guī)律的總結(jié),發(fā)現(xiàn)直接頂與煤體在側(cè)向具有相似的應(yīng)力分布特點(diǎn):支承壓力峰值均位于關(guān)鍵層(老頂)在煤體中的斷裂處,在靠近采空區(qū)一定范圍內(nèi),煤層內(nèi)存在低應(yīng)力區(qū),適合布置沿空巷道。老頂垂直應(yīng)力分布起伏不平,總的趨勢是應(yīng)力集中程度較小,表明其分布載荷并不大,其應(yīng)力集中的峰值點(diǎn)位于斷裂線之外,也即在煤體應(yīng)力峰值之外(見圖1)。這一點(diǎn)與實(shí)際觀測結(jié)果基本一致,說明老頂在此處的作用有兩個(gè)方面:(1)作為煤層中的一層主要頂板,本身的自重對下部巖層和煤層施加載荷;(2)承擔(dān)了上覆巖層的部分壓力,并可將這些壓力傳遞到下部的直接頂和煤層。所以老頂(關(guān)鍵頂)在采空側(cè)斷裂活動(dòng)中對支承壓力的分布起重要作用。3煤體支護(hù)方式的選擇主要分為3.沿空掘巷位置的確定,是建立在研究采空區(qū)側(cè)翼支承壓力分布規(guī)律的基礎(chǔ)上的,通過數(shù)值模擬和現(xiàn)場實(shí)測,確定厚煤層綜放工作面采空區(qū)低應(yīng)力區(qū)的范圍,使沿空掘巷位置避開高應(yīng)力區(qū),最大限度地減輕應(yīng)力集中區(qū)的影響。依據(jù)S2-5工作面采空區(qū)側(cè)煤巖體支承壓力分布規(guī)律,將其分為破裂區(qū)、塑性區(qū)和彈性區(qū),這樣沿空掘巷的位置可以有3種選擇:(1)在彈性區(qū)中留大煤柱的掘巷方式;(2)在塑性區(qū)中留較大煤柱的掘巷方式;(3)在塑性區(qū)中留小煤柱的掘巷方式。從理論和實(shí)踐兩方面來看,在彈性區(qū)中留大煤柱的掘巷方式,在掘進(jìn)和回采過程中變形很小,但煤柱留得過大,煤炭浪費(fèi)嚴(yán)重,不宜采用。在塑性區(qū)中留較大煤柱的掘巷方式,巷道處于煤體應(yīng)力的峰值區(qū)內(nèi),在掘進(jìn)和回采過程中變形量很大,難于維護(hù),不宜采用。在塑性區(qū)中留小煤柱的掘巷方式較為理想,此位置處于煤體的低應(yīng)力區(qū)中,在采空側(cè)老頂“小結(jié)構(gòu)”保護(hù)之下,掘進(jìn)時(shí)不會(huì)引起支承壓力和煤體力學(xué)狀態(tài)的明顯變化,所以采用此種方式不僅掘巷穩(wěn)定期內(nèi)圍巖變形小,而且從采空區(qū)擋矸、防水、巷道施工管理、進(jìn)度以及錨桿支護(hù)的推廣使用等方面來看都最為有利。在低應(yīng)力區(qū)中留小煤柱的掘巷方式,煤柱尺寸確定為5～10m,非特殊情況一律定為5m,同時(shí)巷道采用錨桿支護(hù),可充分發(fā)揮其主動(dòng)支護(hù)的作用,對巷道周圍煤體產(chǎn)生一定的側(cè)向約束力,使其強(qiáng)度在一定程度上有所提高。再者,由于提高了圍巖的自承能力,巷道在回采過程中變形也會(huì)得到較好的控制,保證巷道的穩(wěn)定性。4圍巖支護(hù)特點(diǎn)常村礦井S2-5工作面兩順槽沿煤層底板掘進(jìn),煤柱凈尺寸為5m,支護(hù)形式為錨網(wǎng)加錨索支護(hù),軌道順槽巷道斷面為3.4m×3.0m,采用Φ20mm×2400mm的高強(qiáng)度樹脂錨桿,頂上5根,兩幫各4根,排間距800mm,每隔1.6m上Φ16mm×8300mm的錨索一根。根據(jù)實(shí)測,綜采放頂煤工作面沿空掘巷圍巖變形有以下特點(diǎn)。(1)沿空巷道在掘進(jìn)期間內(nèi),兩幫移近量和頂?shù)装逡平客趶椥詤^(qū),施工管理、技術(shù)手段差別不大。(2)工作面回采期間,巷道變形主要以兩幫的移近為主,大約是頂、底板移近量的2～3倍,在頂、底板移近量中,底鼓量大于頂板下沉量,巷道頂板比較完整,下沉均勻,在兩幫移近量中,實(shí)體煤幫移近量較煤柱側(cè)的移近量要大些,巷道實(shí)體側(cè)下部的移近量大于上部的移近量,表現(xiàn)為向巷道內(nèi)滑落的趨勢。(3)在靠近工作面的端頭段,老頂巖層的破裂結(jié)構(gòu)發(fā)生失穩(wěn)垮落,直接頂和煤體上的載荷增大,導(dǎo)致巷道變形嚴(yán)重。(4)工作面回采期間,沿空巷道超前影響距離約為60～80m,工作面前方20m范圍內(nèi)底鼓較大,需要清底,并加強(qiáng)超前支護(hù)。5煤體支護(hù)的穩(wěn)定性分析(1)綜采放頂煤工作面上覆老頂?shù)膸r層,在工作面推進(jìn)后,于采空側(cè)斷裂回轉(zhuǎn)下沉,形成側(cè)向穩(wěn)定結(jié)構(gòu),對下部煤體中的沿空巷道起到一定保護(hù)作用,如將沿空巷道位置選定在該結(jié)構(gòu)下,可以保持較好的穩(wěn)定性。(2)綜采放頂煤工作面采空側(cè)的直接頂和煤體變形較復(fù)雜,煤體具有向采空區(qū)滑落的趨勢,應(yīng)采用錨索等高強(qiáng)度支護(hù)加固巷道