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深井沿空巷道小煤柱护巷机理及支护技术

作者: 发布时间:2019-12-20 11:44:18 阅读: 63 次

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深井沿空巷道小煤柱护巷机理及支护技术

 

摘要:当前,在深井开采过程中,由于采用沿空掘巷技术在很大程度上减少了煤炭资源的浪费,而且对保障矿井安全高效生产具有重要意义。基于此,本文主要论述了深井巷道围岩变形规律,并且着重对深井空巷道小煤柱护机理进行了分析。另外,还进一步探究了深井沿空巷道支护技术,旨在为有关人士提供借鉴。

关键词:深井沿空巷道;小煤柱护巷机理;支护技术

 

引言:随着煤矿开采深度的不断增加,对能源的需求量的增多,很多深部矿井在采空区一侧回采巷道通常采用留窄煤柱沿空掘巷的方式。但在长期的深采中,加大了沿空巷道维护的难度,限制了工作面的推进速度。虽然采用巷道支护技术取得了一定成效,但因煤柱尺寸问题等造成了煤炭资源浪费,所以必须要不断加强支护技术。

一、深井沿空巷道围岩变形规律

沿空巷道是无煤柱护巷的一种比较常见的形式,如图1所示,当右边工作面进行开采后,不仅基本顶呈下沉趋势,而且在采空区边缘还有断裂现象的发生。与此同时,煤体上的顶板弯曲并倾斜于采空区,而且侧向支撑力逐渐转移到煤体内。如图2所示,在顶板出现弯曲不断下沉和支撑压力转移这一过程中,在很大程度上破坏了边缘煤体,进而逐渐形成了破碎区。此外,在煤体边缘0至7米的范围内也形成了相应的应力降低区,进而为沿空掘巷奠定了良好的基础。

当巷道在煤柱左侧掘出后在围岩内形成破碎区,会使煤柱的两侧都存在破碎区的现象,承载能力很小。如果对左边工作面进行开采,就十分容易形成超前支承压力,这样会使煤柱压缩破碎程度更加严重,进而会使顶板再次出现断裂的现象,同时也会大大增加巷道变形量及压力。可见,深井工作面沿空掘进的巷道受到超前采动支承压力作用时维护比较困难,而受到支持压力作用前,相对来说维护就比较容易些。

 

1  沿空巷道常见形式示意图

 

2  沿空巷道应力分布示意图

二、小煤柱护巷机理

(一)顶板支承压力分布规律

工作面顶板支承压力分布主要呈动态变化的趋势,顶板约束条件会随着工作面的不断推进,逐渐由四方嵌固转化为两侧嵌固,而且弯矩也会转移到两侧煤壁,进而会使顶板沿两侧煤壁嵌固不断断裂。顶板中应力,随着与煤壁距离增加依照负指数曲线的规律逐渐递减。这时,因为煤壁四周的应力已经远远超出了煤层的极限抗压强度,就会在一定程度上破坏边缘煤体,这样会很容易使其失去支承能力,同时也使应力植入煤层的内部。而在采动附加应力与顶板自重的作用下,会使顶板在两侧煤体内部发生断裂,进而会形成以断裂口线为分界线的两个应力区。一个是断裂线外侧由上覆岩层所整个重量所决定的高应力区[1]。另一个是低压应力区,主要是指在煤体边缘与断裂线之间,由已经断裂的岩梁自重所决定的。

(二)煤柱宽度与围岩变形之间的关系

围岩变形率与护巷煤柱宽度之间的关系可以在一定程度上对煤柱稳定程度进行判断。如图3所示,其中竖向表示移近率、横向表示煤柱宽度。图3中曲线是单一峰值曲线,随着煤柱宽度的不断增加,将曲线分为了三部分。ABC在峰值的周围,表示围岩变形率比较大;而C到D之间随着煤柱宽度的不断增加,围岩变形率逐渐减小;而D到E之间随着煤柱宽度进一步增加,而逐渐趋于平稳的状态。

 

3  煤柱宽度与围岩移近率关系曲线图

(三)小煤柱宽度的计算

当依据煤柱宽度和围岩变形率二者关系了解煤柱大概宽度后,还需要利用工作面支承压力分布进一步的进行明确。通过对巷道围岩应力的探究可得出:在采空区附近的煤体存在着原岩应力区、应力降低区及升高区。为了防止巷道处在应力区,或者避免其处在塑性区域弹性区之间的交界地带,更好使护巷煤柱宽度小一些。与此同时,因为煤柱的两侧存在着破碎区,若煤柱太小,很可能使煤柱内部形成塑性区或者破碎区,这样就会大大降低煤柱的承载力与稳定性。此外,由于锚杆全长都处在破碎的围岩中,所以锚杆没有着力基础,会使其锚固力逐渐变小,难以提高煤柱的稳定性。所以,必须要科学合理的制定煤柱的宽度,并使其能够处在支持压力低且比较完整的区域,进而不但可以确保巷道支护体载荷较小,而且还能保持巷道围岩的完整性,在很大程度上节约了煤炭资源。

依据极限平衡理论,相对合理科学的煤柱宽度应该为:B=1.15(x1+x2,其中B代表着煤柱最小宽度,x1表示锚杆的有效长度;而x2是上一区面开采在煤柱中形成的塑性宽度。

三、深井沿空巷道支护技术探究

    在对沿空巷道小煤柱尺寸明确之前,还需要对支护方式的选择加以重视。支护方式在很大程度上影响着煤柱尺寸的留设。一般来说,锚杆支护这种方式,对锚固体的力学参数的提高具有重要的意义。其中包括锚固体破坏前后的C、φ在内,特别是促使岩体内摩擦角φ的提高比较明显,而对内聚力C的提升不是很显著。同时,使用锚杆支护不仅可以进一步强化锚固范围内岩体的峰值强度,而且也能使峰后强度得到强化。当运用锚杆支护时,可以促使围岩由原来的单向或二向应力逐渐转化为三向应力,进而可以使围岩的承载力不断提高,同时还可以有效的改善巷道的维护情况。计算锚固体强度时可以利用以下计算的方式。σ1=0.4+15.89σm3+2Ctan(45°+φ/2),σ1=0.4+26.4σm3+2Ctan(45°+φ/2)

其中,C代表锚固体的内聚力;σ1代表锚固体极限强度,σ1表示锚固体残余强度,σ3m表示锚杆所提高的支护强度;φ是锚固体的内摩擦角;而φ为残余强度的内摩擦角。

上面的计算公式可看出,锚固体极限强度与锚固体残余强度会随着锚杆提供的支护强度、极限强度的内聚力、残余强度的内聚力及锚固体残余强度的内摩擦角的提高而不断提高。同时也可以看出其中对围岩强度提升影响更大的是锚杆所提供的支护强度。因此,为了大大提升围岩强度和承载力,必须采用高预紧力、强力钢带+强力锚杆+强力锚索组成的形式[2]

结论:总之,采用小煤柱护巷机理和高强锚杆支护技术,能够保障深井沿空巷道的稳定。通过小煤柱护巷可以合理确定小煤柱的尺寸,进而提高小煤柱的稳定性。而采用高强锚杆支护技术,不仅能够提供比较高的支护阻力,而且对提高围岩的力学参数和承载力具有重要的作用。同时,还具有一定的延伸率,可以在很大程度上减少超前支承压力对巷道的影响,进而可维护深井沿空巷道的稳定。

参考文献:

[1] 牛心刚,鲁德超.留小煤柱沿空巷道支护机理分析及优化技术探究[J].煤炭技术20149):143-145.

[2] 代进,王春耀,李逢祥.大采高小煤柱沿空巷道大变形机理与支护技术研究[J].煤炭工程20183):37-41.