王庄煤矿高应力综放面巷道围岩控制技术.pdf
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1、第 卷第期 年月山西煤炭 文章编号:()犇 犗 犐:王庄煤矿高应力综放面巷道围岩控制技术刘俊(山西潞安环保能源开发股份有限公司 王庄煤矿,山西 长治 )摘要:以王庄煤矿 工作面 回风顺槽高应力条件切顶卸压后留设窄煤柱为工程背景,基于煤岩体岩石力学实验,通过现场调研、理论分析及数值模拟相结合的研究方法,对深井高应力条件下回采巷道的联合控制技术进行研究。最终确定合理的切顶角度为 ,水力压裂长度为,留设窄煤柱宽度为 时可以获得较好的留巷效果,实现资源回收和回采巷道掘进速率的最大化;在 工作面运输顺槽切顶后,进行 回风顺槽掘巷,采用十字布点法对巷道变形量进行检测,巷道顶底板及两帮的最大变形量分别为 、
2、,能够满足巷道使用需求。关键词:水力压裂;窄煤柱;数值模拟;高应力中图分类号:文献标识码:开放科学(资源服务)标识码(犗 犛 犐 犇):犛 狌 狉 狉 狅 狌 狀 犱 犻 狀 犵犚 狅 犮 犽犆 狅 狀 狋 狉 狅 犾犜 犲 犮 犺 狀 狅 犾 狅 犵 狔狅 犳犎 犻 犵 犺犛 狋 狉 犲 狊 狊犉 狌 犾 犾 狔犕 犲 犮 犺 犪 狀 犻 狕 犲 犱犆 犪 狏 犻 狀 犵犉 犪 犮 犲 犻 狀犠 犪 狀 犵 狕 犺 狌 犪 狀 犵犕 犻 狀 犲犔 犐 犝犑 狌 狀(犠 犪 狀 犵 狕 犺 狌 犪 狀 犵犕 犻 狀 犲,犔 狌犪 狀犈 狀 狏 犻 狉 狅 狀 犿 犲 狀 狋 犪 犾犘 狉 狅
3、狋 犲 犮 狋 犻 狅 狀犪 狀 犱犈 狀 犲 狉 犵 狔犇 犲 狏 犲 犾 狅 狆 犿 犲 狀 狋犆 狅,犔 狋 犱,犆 犺 犪 狀 犵 狕 犺 犻 ,犆 犺 犻 狀 犪)犃 犫 狊 狋 狉 犪 犮 狋:,犓 犲 狔狑 狅 狉 犱 狊:;区段煤柱是我国最普遍使用的护巷方式,尤其是在深井高应力的情况下,如何提高资源回收率、加快巷道掘进速度成为煤矿企业面临的重大问题。传统开采方式中的煤柱宽度一般为 ,部分条件恶劣的煤矿煤柱宽度达到了,造成煤炭资源的大量浪费,后续也很难把这些煤炭资源开采出来。收稿日期:作者简介:刘俊(),男,湖北随州人,本科,工程师,从事煤矿巷道掘进方向研究工作,:引文格式:刘俊
4、王庄煤矿高应力综放面巷道围岩控制技术山西煤炭,():,():其中,沿空留巷和留小煤柱沿空掘巷是解决区段煤柱资源浪费的重要方法 。侯朝炯等将沿空巷道上覆坚硬岩层破断后的结构简化为弧形三角板,为后续的研究指明了方向。文献 和 运用弹塑性力学理论对大倾角煤层的厚硬基本顶破断规律进行了研究,得到了基本顶断裂特征并总结出基本顶初次与周期破断的时序特点与非对称特征。文献 针对煤柱受到侧向应力集中导致巷道发生大变形的普遍问题,通过采取对沿空预留煤柱进行爆破卸压及大直径钻孔卸压的技术来降低煤柱的应力,发现采用卸压技术后煤柱内部应力的集中程度明显减小。王猛等针对沿空巷道上覆厚坚硬顶板回转变形导致的巷道围岩应力较
5、高,留巷难度较大的问题,通过浅孔爆破技术切断采空区顶板向巷道两侧传递的应力,并使用 数值软件对爆破钻孔间距进行优化,取得了良好的现场应用效果。许兴亮等认为沿空掘巷上覆岩层关键块体结构回转稳定性,相较于煤体自身的力学性质而言,对巷道的稳定性影响更大,基于此提出采用高强度锚杆、高阻让压和倾向穿层锚索的非对称耦合控制技术,通过加强沿空巷道煤柱与顶板的一体性强化煤柱的支撑能力,从而减缓关键块体的旋转下沉速度和下沉量,以达到对深部倾斜沿空掘巷围岩稳定性控制的目的。付中华等通过现场测定和数值分析,将窄煤柱内部具有小变形特征或不发生变形的区域称作中性面,随着煤柱宽度的增大,内部的中性面宽度越大。基于上述发现
6、,提出了通过锚杆支护改变煤柱内的应力环境从而改变中性面的位置与范围,在优化应力环境的同时,提高煤柱承载强度进而减小煤柱变形的方法。厚煤层综放工作面留小煤柱沿空掘巷,由于工作面采空区上覆岩层垮落空间大,导致小煤柱应力集中系数较大,必须改变沿空掘巷围岩的应力环境。主要方式有:合理的巷道掘进布置方式,使巷道处于应力降低区;爆破卸压切顶护巷技术,使巷道围岩所处应力环境被强制降低,进而提高围岩稳定性。近年来,由于对浅部煤炭资源的大量开采,许多矿井面临下组煤延伸进行深部开采的现状,但地应力骤增将导致原来浅部回采巷道的支护方式、煤柱宽度留设等问题,均需要进行重新讨论 。煤柱应力集中程度加大、煤壁片帮、锚杆(
7、索)锚固力增大等严重问题在高应力条件下出现的次数也愈发增多。本文以王庄煤矿 工作面 回风顺槽高应力条件切顶卸压后留设窄煤柱为工程背景,通过现场调研、理论分析及数值模拟相结合的研究方法,对深井高应力条件下回采巷道的联合控制技术进行研究。工程背景王庄矿位于长治市郊区,面积 。井田广为第四系地层所覆盖,仅在西北部有少量的基岩出露。井田内波状起伏的褶曲比较发育,大多数褶曲的两翼地层倾角较平缓。王庄井田总体走向为一走向北西,倾向南西的单斜构造,地层产状平缓,地层倾角一般为 ,近水平煤层。目前主要开采号煤层,开采深度为 ,平均 。根据井田内钻孔统计资料,煤层厚 ,平均 ,全井田属稳定可采煤层,含夹矸层,一
8、般为层,煤层结构简单复杂,夹矸成分多为炭质泥岩或泥岩。煤层顶板为泥岩或砂质泥岩,底板为泥岩。顶底板岩层柱状图,如图所示。图号煤层顶底板岩层柱状图 工作面采用综放开采,工作面顺槽沿煤层底板布置,全煤巷道,巷道断面均为 的矩形断面,均采用锚网索支护方式。根据现场调研情况,工作面顺槽受相邻工作面采空区影响比较大,导致煤柱帮变形严重,尤其是煤柱侧上方挤出变形明显,局部区域存在锚杆锚索托盘压入煤体的现象。工作面为 工作面的接替工作面,工作面回风顺槽及后期开采的 孤岛工作面都要面临相邻采空区和区段煤柱应力集中引起的强矿压问题。开展王庄煤矿高应力综放面区段煤柱留设及回采巷道围岩控制研究,对矿井的安全高效开采
9、具有山西煤炭第 卷实际指导意义,而且可为其他类似条件下的孤岛工作面开采提供借鉴。对于实现工作面的高效安全回采及类似综放工作面开采具有重要意义。留小煤柱切顶护巷机理 压裂参数确定在工作面回采过程中,基本顶在采空区巷道侧形成弧形三角板,进行水力压裂形成的切缝面成为关键块和的咬合面。当关键块沿着切缝面滑落失稳时,岩块间受力关系简化如图所示。图岩块间受力关系示意图 根据砌体梁理论和围岩结构的犛 犚稳定原理可知,岩块回转下沉的条件为:(犜 犛 )犛 犜 ()犜狇 犔(犱狕犛)()联立以上两式可得切顶角度的最佳取值范围:(犱狕犛)犔()式中:犜为侧向水平压力,;犛为岩块回转下沉过程中受到的剪切力,;狇为集
10、中载荷,;为水力压裂切缝面与竖直方向的夹角,();犛为基本顶采空区侧下沉量,取 ;为岩块间的摩擦角,取 ;犱狕为基本顶岩层厚度,取 ;犔为基本顶岩块的长度,取 。代入工作面参数到式()计算得到:()实际切顶时,工作面切顶角度应大于 。水力压裂施工方案:钻孔仰角 ,夹角 ,经计算,钻孔深度(斜长)为 ,压裂间隔,单孔压裂次数为次,钻孔间距。工作面顺槽水力压裂钻孔布置及参数见图所示。施工采用后退式方向实施,由钻孔深部向浅部逐段压裂,压裂段长度,压裂使用 型高压水泵。图工作面顺槽水力压裂切顶钻孔布置示意图 窄煤柱留设尺寸研究工作面回采后采空区上覆岩层失去了承载煤体,采空区边界部分岩体重量转移至区段煤
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