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浅埋煤层孤岛工作面回采巷道支护实践

时间：2022年02月09日 分类：科学技术论文 次数：

随着我国煤炭开采强度不断加深，开采区域以及开采深度也随之不断增大，然而受采煤方法、地质条件以及采煤设备等诸多因素影响，在一些特殊开采区域或煤层的开采过程中容易形成孤岛工作面[1-3]。孤岛工作面在开采过程中受相邻工作面回采影响，工作面两侧煤体应力集中较高

　　随着我国煤炭开采强度不断加深，开采区域以及开采深度也随之不断增大，然而受采煤方法、地质条件以及采煤设备等诸多因素影响，在一些特殊开采区域或煤层的开采过程中容易形成孤岛工作面[1-3]。孤岛工作面在开采过程中受相邻工作面回采影响，工作面两侧煤体应力集中较高，巷道围岩应力场复杂，回采巷道围岩容易发生变形、破坏，对工作面安全生产形成威胁。

支护工程

　　因此，对于孤岛工作面回采巷道稳定性以及支护参数的研究，对保证孤岛工作面安全生产具有十分重要的意义[4-7]。为解决工程实际问题，以南梁煤矿30101-1工作面在3-1号煤层边界处形成的孤岛工作面为研究对象，采用工程类别、理论计算、数值模拟以及现场实践等方法综合分析，以确定30101-1孤岛工作面回采巷道最佳支护方案。

　　1井概况

　　南梁煤矿30101-1工作面位于3-1号煤层西南角，煤层埋深118.43～142.01m，工作面煤层厚度1.8～2.03m，走向长度为1398.32m，倾向长度为280m，其北部为30101工作面采空区，南部为3-1号煤层边角治理区，在30101-1工作面区域形成孤岛工作面。30101-1工作面运输顺槽设计尺寸为1453.58m×5m×2.5m(长×宽×高)。

　　2防护方案

　　2.1防护参数设计

　　孤岛工作面回采巷道在回采过程中承受采动支承压力大，围岩较为破碎，变形量大[8]。依据南梁煤矿30101-1工作面实际地质情况，通过工程类比[9]、理论计算[10]的方法，综合考虑回采巷道的支护设计。

　　根据30101-1工作面运输顺槽顶板情况表对工作面顶板稳定性进行分析可知，30101-1工作面顶板主要存在稳定和不稳定顶板。在进行回采巷道支护设计时，通过工程类比的方法，巷道可采用中等稳定围岩状况锚杆、锚索、锚网联合的支护形式[11-12]。支护参数选取锚杆杆体直径为18～22mm，长度为1.8～2.4m，间排距为0.6～1.0m;锚索直径为17.8mm，长度为5～6m，单排间距3m。

　　根据组合梁支护理论，锚杆长度应满足L≥L1+L2+L3(1)式中，L为锚杆总长度，m;L1为锚杆外露长度，m;L2为锚杆有效长度，m;L3为锚杆锚固长度，m。针对30101-1工作面回采巷道围岩特点，采用锚索进行加强支护，锚索长度为La=La1+La2+La3(2)式中，La为锚索长度，m;La1为锚索外露长度，m;La2为锚索有效长度，m;La3为锚索锚固长度，m。通过对锚杆、锚索长度理论计算，得出锚杆、锚索长度分别为2.2m、6m。根据工程类比、理论计算的结果综合分析提出了3种锚、网、索联合支护方案作为比较方案。

　　2.2护方案模拟

　　2.2.1数值模型

　　为进一步验证上述孤岛工作面回采巷道3种支护方案设计的有效性，针对南梁煤矿3-1号煤层30101-1工作面回采巷道地质条件、力学参数以及巷道断面设计尺寸，使用FLAC3D软件建立数值计算力学模型，模型为300m×300m×100m(长×宽×高)，巷道沿Y轴方向开挖，采用Mohr-Coulomb本构模型，分别对3种支护方案进行模拟，分析各方案距离工作面50m处回采巷道垂直位移，塑性区，垂直应力的变化规律，提出最优方案。

　　2.2.2垂直位移模拟结果分析

　　方案A顶板最大下沉量为74mm，方案B为157mm，方案C为220mm;方案A与B在锚索两侧均出现了垂直位移增大现象，方案A锚索两侧垂直位移为60mm，方案B为120～140mm，而方案C不仅在锚索两侧出现垂直位移增大现象，垂直位移量为200mm，同时在锚索端部出现了50～75mm的较大位移变化。通过对3种支护方案垂直位移量的分析，方案A相较于方案B和方案C能较好地控制巷道顶板移近量，更有利于巷道围岩变形的控制。

　　2.2.3塑性区模拟结果分析

　　方案A巷道顶板中部塑性最大范围为1m，巷道帮角塑性区最大范围为0.5m，巷道帮部及以下塑性区范围为0.5m;方案B巷道顶板中部塑性区最大范围为1.5m，巷道帮角塑性区范围为1～1.5m，帮部中部及以下塑性区范围为0.5m;方案B巷道顶板中部塑性区最大范围为2m，巷道帮角塑性区范围为1～1.5m，巷道帮部及以下最大塑性区范围为0.5m。通过对3种方案巷道顶板、帮角及帮部塑性区的最大塑性区及塑性区范围进行比较，方案A回采巷道围岩塑性区范围得到有效控制。

　　2.2.4垂直应力模拟结果分析

　　方案A中最大垂直应力位于巷道顶板中部为6.89MPa，最大垂直应力范围小于0.5m，锚索锚固段出现应力降低区，其位于直接顶与基本顶接触面位置;方案B最大垂直应力位于巷道顶板中部为6.87MPa，最大垂直应力范围与原方案变化不大;而方案C最大垂直应力位于巷道顶板中部靠上为6.64MPa，最大垂直应力范围小于0.2m，相较于原方案与方案A，最大垂直应力范围最小，锚索锚固段下部和上部出现了垂直应力增大区域，锚索受力大于前2种方案。

　　通过对以上3种方案巷道围岩垂直应力进行比较，3种方案的最大垂直应力变化不大，方案B锚索出现底应力区，对直接顶支护效果不佳，方案B锚索受力较大，综合分析方案A较为适合。通过对3种支护方案垂直位移、塑性区范围、垂直应力进行分析比较，方案A能较好地满足回采巷道在生产过程中的要求。

　　3工程实践

　　南梁煤矿30101-1孤岛工作面回采巷道掘进期间，根据监测区锚杆(索)受力监测结果。锚杆在28d内受力显著增大，最大为14.5MPa，28～35d内，锚杆压力增加较为缓和;35d后锚杆受力不再发生明显变化， 表明锚杆对顶板的支护是有效的。锚索在35d内受力增大，最大为36.7MPa，35～42d内锚索受力变化不大，42d以后未出现新的明显变化，锚杆、锚索受力值在允许的受力范围内。

　　工作面回采期间，回采巷道各测点顶底板最大移近量为95mm，两帮最大移近量为500mm，工作面机尾超前0～25m为工作面超前矿压显现区域，主要表现为工作面超前回采侧巷道局部片帮，最大片帮深度为390mm，片帮位置主要为巷道中下部，巷道围岩移近量均在允许范围内。通过上述对各测点锚杆、锚索受力及巷道围岩移近量的分析可知，锚杆(索)受力均大于其初锚力，对顶板有较大的支护作用，围岩移近量变化较为稳定，该支护方案支护效果良好，能够满足现场安全生产需求。

　　4结论

　　(1)通过采用工程类别和理论计算的方法，提出了锚、索、网联合支护的3种比较方案，通过数值模拟比较方案分析表明，回采巷道支护参数锚杆为MSGLW-335/20mm×2200mm，顶板间排距采用900mm×1000mm，两帮间排距900mm×1000mm，锚索参数为17.8mm×6000mm，单排锚索布置排距为3000mm，为最佳方案。

　　(2)现场工业试验表明，最佳支护方案A在30101-1工作面回采过程中巷道围岩变形量较小，有利于巷道稳定，该支护方案能较好地满足工作面安全生产要求。

　　(3)实际开采过程中超前支护范围0～25m内实体煤一侧巷道帮部的局部仍有小面积片帮，建议对超前支护范围内实体煤一侧巷道帮部进行局部加强，预防片帮进一步发展。

　　参考文献：

　　[1]赵国贞，马占国，孙凯，等.小煤柱沿空掘巷围岩变形控制机理研究[J].采矿与安全工程学报，2010，27(4):517-521.

　　[2]张福敏.特厚号煤层工作面沿空掘巷锚索网支护参数设计[J].煤炭工程，2020，52(S1):43-47.

　　[3]王欢，杨春鹤，檀小胜.留小煤柱沿空掘巷受采动影响围岩变形规律与支护技术研究[J].煤炭工程，2020，52(S1):53-57.

　　[4]张银.高预应力锚网索支护在回采巷道中的应用[J].陕西煤炭，2019，38(5):160-162，138.

　　[5]张科学，张永杰，马振乾，等.沿空掘巷窄煤柱宽度确定[J].采矿与安全工程学报，2015，32(3):446-452.

　　[6]华心祝，刘淑，刘增辉，等.孤岛工作面沿空掘巷矿压特征研究及工程应用[J].岩石力学与工程学报，2011，30(8):1646-1651.

　　[7]赵国贞，马占国，孙凯，等.小煤柱沿空掘巷围岩变形控制机理研究[J].采矿与安全工程学报，2010，27(4):517-521.

　　[8]曹远威，王修敏，吴建群，等.孤岛煤柱工作面回采巷道围岩控制技术研究与应用[J].能源技术与管理，2020，45(6):77-80.

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