切顶卸压在小煤柱巷道中的应用研究.pdf
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1、JinnengHoldiindTechnology2023年6 月35第3 期(总1 9 1 期)晋控科学技术切顶卸压在小煤柱巷道中的应用研究张逸群1,王强?,栗鹏飞?(1.山煤国际能源集团股份有限公司,山西太原0 3 0 0 0 6;2.山西凌志达煤业有限公司,山西长治0 4 6 0 6 6)摘要:基于小煤柱巷道受侧向支承压力和超前支承压力双重影响后易发生严重变形的问题,以1 5 1 0 7 工作面为背景,通过分析沿空巷道侧向顶板结构特征,提出采用密集钻孔卸压的方式进行治理。结果表明,切顶后侧向压力峰值向深部转移且减弱了超前压力的影响;1 5 1 0 7 回风顺槽两帮移近量2 6 3 mm,
2、顶底板移近量2 6 4 mm,实现了工作面安全回采。关键词:小煤柱;侧向支承压力;密集钻孔;切顶卸压中图分类号:TD353文献标识码:A文章编号:1 0 0 0-4 8 6 6(2 0 2 3)0 3-0 0 3 5-0 5D0I:10.19413/ki.14-1117.2023.03.0090引言煤矿开采过程中,矿山压力往往作为一种不利因素影响着安全生产,解决矿压问题的主要手段是对压力的转移,而切顶卸压的目的就是减弱或转移巷道压力,也是目前多数矿井采用的关键技术之一-2。由于厚煤层高强度开采时小煤柱巷道压力较大,通常需要进行卸压处理 3 。为提高煤炭资源采出率,1 5 1 0 7 工作面实施
3、小煤柱沿空掘巷技术,考虑以往大煤柱巷道在工作面回采期间压力大、破坏严重的问题,为防止小煤柱巷道发生较大变形,对小煤柱巷道实施切顶卸压技术应用研究。1工程背景15107工作面开采1 5*煤层,煤层平均厚度7.5 1 m,煤层普氏系数泥岩伪顶,直接顶为K,石灰岩,底板为灰黑色砂质泥岩,工作面综合柱状图如图1 所示。1 5#煤层为类自燃煤层,属高瓦斯矿井。采用走向长壁后退式综采放顶煤的采煤方法,采高2.8 m,放煤高度4.71m,割煤截深和放煤步距均为0.6 m。15107回风顺槽煤柱宽度为4.5 m;巷道沿煤层底板掘进,为矩形巷道,掘进宽度4.1 m,掘进高度3.1 m;顶板采用锚杆(索)联合支护
4、(每隔1 排锚杆施工一排锚索),锚杆(索)均用W型高强度钢带连接;帮部锚杆采用10mm钢筋梯将锚杆连成整体,煤柱帮距巷顶300mm施工1 根角锚索;巷道支护参数如图2 所示。以往大煤柱工作面回采时,大煤柱巷道压力大、变形严重,影响了工作面正常生产,因此,为防止1 5 1 0 7 回风顺槽在工作面回采期间出现大变形,拟采取切顶卸压的方式进行预防。2切顶卸压技术及关键参数研究2.1沿空掘侧向顶板结构特征15105工作面回采后,上覆顶板相继垮落,靠近进风顺槽侧形成相互铰接的弧形三角块,一部分在矿压作用下,以煤柱侧断裂线位置为支点产生旋转下沉,对煤柱产生水平、垂直载荷作用,影响煤柱和巷道稳定性。采空区
5、顶板垮落形式如图3 所示。为有效降低覆岩关键块对煤柱的附加载荷,优化沿空巷道煤柱的顶板承载结构,确保巷道的稳定性,通常在煤柱采空侧或巷道煤柱侧实施切顶卸压,使采空区悬臂顶板在特定位置断裂,减小悬臂长度,从而减小因悬臂产生的荷载与旋转块体产生的水平荷载。同时,1 5 1 0 7 工作面回采时产生的超前支承压力会传递到工作面前方的煤体和侧向煤柱内,导致回风顺槽煤柱压力大幅增加,若切断煤柱侧上方顶板,阻断支承压力传递,煤柱所受支承压力较小,则会对煤柱起到较好的保护作用。2023年第3 期JinnengHoldirScienceandTechnology36晋控科学技术层次岩性柱状图1:5 0 0 0
6、 煤岩层厚度/m岩性描述1砂质泥岩7.759.35灰黑色,裂隙发育,含植物化石。8.5522.224.5K,石灰岩浅灰色,质纯,致密,裂隙发育,充填方解石脉,俗称“猴石灰岩”3.35311#煤层0.30.6黑色、半光亮型,结构简单,分布广泛0.414泥岩4.356.55灰黑色,含植物化石。5.450.40.95512煤层黑色,半光亮型,结构简单,分布广泛0.53砂质泥岩及7.459.656灰黑色,含植物化石,下部渐变为泥岩细砂岩8.550.851.65浅灰色,质纯致密裂隙发育,充填方解石脉含海百合茎化石,俗称7K,石灰岩1.25“钱石灰岩”0.40.9813煤层黑色,半光亮型、结构简单,分布广
7、泛,0.669砂质泥岩1.653.05灰黑色,裂隙发育,含植物化石。5.458.8510.2510细砂岩灰白色,石英为主,含白云母碎片及暗色矿物、裂隙不发育,斜层理9.558.6510.3511砂质泥岩灰黑色,裂隙发育,含植物化石9.511.1513.25深灰色,裂隙发育,充填方解石脉含动物化石,夹3 层砂泥岩,俗称12K,石灰岩12.2“四节灰岩”泥岩0.30.513灰黑色,含植物化石。0.46.38.411415#煤层黑色,光亮型为主。结构简单,常含0 3 层夹石,厚度大,全井田可采7.5115砂质泥岩1.92.3灰黑色,富含植物化石及黄铁矿结核。2.14.38.016K,细砂岩灰白色,石
8、英为主,分选、磨圆中等,硅质胶结,致密坚硬6.15图1工作面综合柱状图锚杆:17.86200mm间排距:9 0 0 2 0 0 0 mm锚杆:202400mm间排距:9 0 0 2 0 0 0 mm角铺索:d17.84200mm锚杆:202400mm排距:1 0 0 0 mm间排距:8 0 0 1 0 0 0 mm回采帮34100mm铺杆:202400mm/间排距:8 0 0 1 0 0 0 mm图2小煤柱巷道支护断面图基本顶直接顶采空区小煤柱煤层图3采空区顶板垮落形式2.2合理切顶高度模拟分析根据该矿地质条件、煤层综合柱状图及煤岩相关力学参数,建立数值模型,模型尺寸为长5 0 0 m、高11
9、4.5m,模型X、Y 方向及下部边界施加位移约束,模型上部施加均布载荷3.8 9 MPa以模拟上覆岩层的自重。对比分析小煤柱巷道切顶与不切顶条件下沿空巷道围岩变形规律及小煤柱内部应力分布特征,其模拟结果如图4 所示。FLAC3D5.002012nalmling(ilmCakukterln:VokmtiAurapng1.0318E+(60.0XX0F.+0)-5.0000F+(6-1.0XXOF.+07-1.5XOF:+07-2.0XXOF:H172.5XXOF.40Y7-3.0XXXF+07-3.5(XXF.+074.0XXOE+074.500F+07-5.0000E.+07-5.500E.+
10、076.0000E.+07-6.500F+07-6.8154F+07(a)不切顶时巷道垂直应力图张逸群,王强,栗鹏飞:切顶卸压在小煤柱巷道中的应用研究372023年第3 期FLAC3D5.00caol2ltsaCnutugGnaphreCoxkardfll-srsCakakaell:VoumincAseragre4.8624F:+060.(0XOF.+O)-5.0001:+06-1.XX0E+07-1.5000E+072.0000F+07-2.500XF.+07-3.000F+07-3.500F+074.0000E:+074.5000E+075.0XX0F+07-5.5(00F+07-6.00
11、00E+076.5000E+076.9224E+(07(b)切顶1 0 m时巷道垂直应力图FLAC3D5.002012ltaraCansultingGnaip,lkCntourofU-snssCalalatalln:VokmdtneAveragang1.6714E+(XO.XX0E-X)-5.0000E+6-1.0000E07-1.50X0E+07-2000E+07-2.50X0F07-3.(XX0E-+(17-3.5X0FH074(XXXF+7-45XXFH7-5.(XXX0F:47-5.50XX0F-07-6.0XX0E-(076.0430E+07(c)切顶1 7 m时巷道垂直应力图FLA
12、C3D5.002012ltra(orselhingGaae.Contoutdi-SresCakilalelby:VlumetrieAierging2.2475F:H6O.00XFOX)-5.XX0F:+06I.XXXE.+O7-1500E7-2(00E407-250XX0F:+07-3.(XXXF:+07-3.5000:+07-4.0X00EH074.5000F:+07-5.(XX0F.+07-5.500:+07-5.9357F:H07(d)切顶2 6 m时巷道垂直应力图图4数值模拟结果20巷道开挖未切顶时巷道开挖且切顶1 0 m时卷道开挖且切顶1 7 m时16巷道开挖且切顶2 6 m时车12
13、80020406080100120距采空区煤壁的距离/m图5切顶与不切顶时侧向支承应力分布图15105工作面回采后小煤柱巷道开挖且未切顶及小煤柱巷道开挖且切顶(切断一半K,石灰岩高度1 0m、切断K,石灰岩高度1 7 m、切断Kz石灰岩上方砂质泥岩高度2 6 m)4 种不同条件下采空区煤壁侧向支承压力分布曲线如图5 所示。根据模拟结果可知,不切顶时侧向压力峰值为19.73MPa,且煤柱内出现集中应力,应力值为8.2 2MPa;实施切顶后压力峰值比未切顶时减小了2.0 1 2.31MPa,且峰值位置向增加4 5 m,煤柱内应力集中值仅为1.5 7 2.3 2 MPa,说明切顶处理后,侧向支承压力
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