俄霍布拉克煤礦特厚煤層18m寬煤柱內(nèi)巷道布置與支護技術(shù)研究

李大懷　石建文　李大軍

摘要：為了保持53采區(qū)集中運輸巷圍巖穩(wěn)定，不影響安全生產(chǎn)，綜合考慮兩側(cè)采空區(qū)側(cè)向支承壓力分布規(guī)律，最終確定了合理的窄煤柱寬度，提出窄煤柱孤島煤柱掘巷錨桿支護技術(shù)及合理的錨桿支護參數(shù)確定，并研究分析了該孤島煤柱受兩側(cè)支承壓力作用下巷道穩(wěn)定機理和控制技術(shù)，現(xiàn)場試驗表明，確定的窄煤柱寬度合理、巷道支護技術(shù)可靠，有效控制了巷道圍巖變形。

關(guān)鍵詞：特厚煤層；支撐應(yīng)力；支護技術(shù)；高強度螺紋鋼錨桿

中圖分類號：T75 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1009-2374（2013）09-0106-04

1 工程地質(zhì)概況

1.1 5#煤三采區(qū)集中運輸巷布置

5#煤三采區(qū)集中運輸巷位于俄霍布拉克煤礦西翼53采區(qū)，巷道布置在5#煤層孤島煤柱中，5#煤埋深為250m，5#煤層厚度為9m，巷道斷面為矩形，尺寸為寬×高，為5000×3000mm，巷道沿底掘進。孤島煤柱傾斜長度18.5m，走向長度1020m，煤層傾角14°。孤島煤柱上區(qū)段為5105綜放工作面采空區(qū)，下區(qū)段為5401綜放工作面采空區(qū)，兩個工作面都已經(jīng)回采完畢，采空區(qū)的基本頂跨落穩(wěn)定后，在兩個工作面采空區(qū)之間的區(qū)段煤柱內(nèi)掘巷，如圖1所示：

圖1 5#煤三采區(qū)集中運輸巷布置圖

1.2 巷道頂?shù)装鍘r性

根據(jù)5105綜放工作面和5401綜放工作面回采資料以及新疆庫-拜煤田庫車俄霍布拉克勘探區(qū)Ⅱ-02號鉆孔資料可知，巷道所在煤層及頂?shù)装鍘r性詳見巷道頂?shù)装寰C合柱狀圖表（表1）。

2 孤島煤柱應(yīng)力分布規(guī)律

2.1 數(shù)值模型建立

根據(jù)俄霍布拉克煤礦5105工作面和5401工作面生產(chǎn)地質(zhì)條件，模擬在孤島煤柱中掘進巷道并分析其穩(wěn)定性。孤島煤柱受上下兩個區(qū)段采空區(qū)側(cè)向支撐壓力的疊加作用，即受5105、5401工作面采空區(qū)側(cè)向支撐壓力疊加作用。5#煤層厚度9.2m，煤層傾角14°，平均埋深按照270m計算。孤島煤柱及其左右5m范圍內(nèi)的煤體劃分為0.33×0.5m（寬×高）的網(wǎng)格；巷道直接頂厚度為2.0m，網(wǎng)格大小劃分為1×0.5m（寬×高）、0.33×0.5m（寬×高）、1×0.5m（寬×高）的網(wǎng)格；老頂厚度為16.1m，網(wǎng)格大小劃分為1×1m（寬×高）、0.33×1m（寬×高）、1×1m（寬×高）的網(wǎng)格；巷道直接底厚度為2.4m，網(wǎng)格大小劃分為1×0.5m（寬×高）、0.33×0.5m（寬×高）、1×0.5m（寬×高）的網(wǎng)格；老底厚度為7.3m，網(wǎng)格大小劃分為1×1m（寬×高）、0.33×1m（寬×高）、1×1m（寬×高）的網(wǎng)格。整個模型尺寸（寬×高）178×144.3m，上邊界載荷按未開采前的平均采深計算，模型底邊界垂直方向固定，左右邊界水平方向固定，原始數(shù)值計算模型如圖2

所示。

圖2 數(shù)值模擬模型

材料本構(gòu)模型：煤層采用軟化模型，其余為摩爾-庫侖模型，數(shù)值模擬中各巖層﹑煤層的力學(xué)參數(shù)見表2。

2.2 孤島煤柱應(yīng)力分布規(guī)律

當(dāng)兩側(cè)工作面都回采完畢、頂板跨落穩(wěn)定后，孤島煤柱內(nèi)將形成穩(wěn)定的支承應(yīng)力。在孤島煤柱中布置巷道，煤柱內(nèi)支承應(yīng)力將重新分布，巷道圍巖尤其窄煤柱內(nèi)的應(yīng)力分布及大小將直接影響巷道的長期穩(wěn)定。因此，研究孤島煤柱支承應(yīng)力分布規(guī)律及掘巷后應(yīng)力重新分布規(guī)律是非常必要的。用數(shù)值模擬的方法，計算得出俄霍布拉克煤礦5105、5401工作面回采之后，孤島煤柱支承應(yīng)力分布情況，并分析該分布曲線對在孤島煤柱中掘巷及煤柱整體穩(wěn)定性的影響；孤島煤柱中布置巷道不同于傳統(tǒng)的巷道掘進，與沿空掘巷比較相似。

通過FLAC軟件對孤島煤柱應(yīng)力曲線計算和對孤島煤柱狀態(tài)分析表面，在煤柱中間形成一個應(yīng)力集中區(qū)，而煤柱兩側(cè)應(yīng)力較小，同時破碎區(qū)主要分布到孤島煤柱兩側(cè)的采空區(qū)邊緣，距兩側(cè)采空區(qū)邊緣0.3～0.6m煤柱范圍內(nèi)；塑性區(qū)分布在整個煤柱及煤柱肩、底角范圍內(nèi)，破碎區(qū)和塑性區(qū)承載能力低，特別是靠近采空區(qū)的煤體。沿空布置的巷道在基本頂弧形三角塊結(jié)構(gòu)的保護下，巷道圍巖壓力較小，巷道比較容易維護而且有利于孤島煤柱的整體穩(wěn)定性。

2.3 窄煤柱寬度確定及巷道合理布置

計算出煤體內(nèi)的垂直應(yīng)力分布曲線的目的就是將巷道布置在低應(yīng)力區(qū)域，有利于巷道維護和孤島煤柱的整體穩(wěn)定。沿采空區(qū)掘進巷道時，影響煤柱穩(wěn)定性的因素有煤柱應(yīng)力環(huán)境、煤層及頂?shù)装辶W(xué)參數(shù)、煤柱寬度、錨桿支護強度等。結(jié)合俄霍布拉克煤礦生產(chǎn)地質(zhì)條件，為防止上部采空區(qū)積水對煤柱的弱化影響，應(yīng)該優(yōu)先選擇把巷道布置在孤島煤柱的下側(cè)，即沿著5401工作面采空區(qū)留窄煤柱布置巷道。從沿采空區(qū)邊緣到垂直應(yīng)力的峰值（煤體內(nèi)距采空區(qū)9m）范圍內(nèi)設(shè)計5種窄煤柱寬度的方案進行計算和分析比較而選優(yōu)。靠近5401工作面采空區(qū)的窄煤柱分別為3、4、5、6、7m煤柱。

通過對窄煤柱寬度對孤島煤柱穩(wěn)定、巷道變形的影響及不同寬度的窄煤柱水平位移分布規(guī)律的綜合分析，沿5401采空區(qū)留4m窄煤柱掘巷時窄煤柱內(nèi)能形成穩(wěn)定的應(yīng)力集中區(qū)，且巷道變形較小，同時考慮到5401材料巷和5#煤三采區(qū)集中運輸巷兩幫錨桿不能相互碰撞給施工帶來不便，確定窄煤柱寬度為4m。即：沿5401采空區(qū)留4m煤柱掘巷。

3 53采區(qū)集中運輸巷支護設(shè)計及現(xiàn)場應(yīng)用

3.1 錨桿支護方案確定

3.1.1 頂板支護。頂板錨桿間排距700×800mm，每排7根錨桿，錨桿均為直徑20mm、長度2400mm的左旋無縱筋高強度螺紋鋼錨桿，錨固采用樹脂藥卷錨固，樹脂藥卷規(guī)格：1支CK2335、1支Z2360，頂板鋪金屬網(wǎng)5000×900mm，10#鐵絲網(wǎng)規(guī)格40×40mm。

圖3 5#三采區(qū)集中運輸巷斷面支護圖

3.1.2 兩幫支護。兩幫采用錨桿間排距850×800mm，每排每幫4根錨桿，錨桿均為直徑20mm、長度2400mm的左旋無縱筋高強度螺紋鋼錨桿，采用樹脂藥卷錨固，樹脂藥卷1支CK2335、1支Z2360，兩幫鋪金屬網(wǎng)3300×900mm，10#鐵絲網(wǎng)規(guī)格40×40mm。

3.1.3 頂錨索支護。錨索間排距為1600×2200mm，每排打2根錨索。錨索Φ17.8L8300mm，采用的樹脂藥卷錨固，每根錨索使用樹脂藥卷1支CK2335、2支Z2360，錨固長度1500mm，每根錨索采用一塊規(guī)格為300×300×16mm的高強蝶形托盤，配套鎖具和調(diào)心球墊。

5#煤三采區(qū)集中運輸巷錨桿布置圖見圖3，單位：mm。

3.2 施工要求

53采區(qū)集中運輸巷采用的是錨梁網(wǎng)索聯(lián)合支護，具體施工工藝及要求如下：

3.2.1 錨桿施工工藝：定眼位→打眼→吹眼→裝藥卷→攪拌→凝固→安裝并緊固錨桿。要求如下：

（1）打眼順序。自后向前，先頂板后兩幫，頂板先中間后兩邊，兩幫自上而下。第一根錨桿布置在巷中位置，然后按間排距依次向兩側(cè)及前方布置。

（2）錨桿眼定位。錨桿眼要嚴格按設(shè)計間排距定位，位置要準(zhǔn)確，眼位誤差不得超過50mm；幫上角和底角錨桿角度為20°，眼向誤差不得大于5°；幫角錨桿距離頂板或底板距離不大于300mm，超過300mm需要補打錨桿

一根。

（3）錨桿眼長度。錨桿眼深度應(yīng)與錨桿長度相匹配，鉆孔深度與錨桿有效長度（鉆孔內(nèi)錨桿長度）誤差不大于50mm。

（4）吹眼。打完眼后，必須采用高壓風(fēng)吹眼，把錨桿眼內(nèi)的煤（巖）粉、積水吹干凈，以確保樹脂藥卷與錨桿眼壁的粘結(jié)力。

（5）安裝錨桿。樹脂藥卷按規(guī)定的數(shù)量（1支CK2335、1支Z2360）、規(guī)格逐個裝進錨桿眼口（注意超快樹脂藥卷在最前面），用錨桿頂住藥卷，輕輕逐個送至錨桿眼底，當(dāng)樹脂錨固劑全部送至錨桿眼底時啟動錨桿鉆機攪拌錨固劑。邊推進邊攪拌，攪拌時間約為30s。其中對于幫錨桿，攪拌充分后，停止攪拌約60s，待樹脂錨固劑凝固后慢慢將錨桿鉆機退下，裝上托盤并用力矩扳手擰緊螺母，扭矩不小于300N·m，錨固力不小于12kN，保證托盤壓緊、壓正金屬網(wǎng)并緊貼巷道表面；頂錨桿可由錨桿鉆機安裝擰緊。錨桿外露長度大于20mm且小于60mm。

3.2.2 鋪設(shè)金屬網(wǎng)工藝：掘進機退出后前移前探梁，在前探梁上放好金屬網(wǎng)，將金屬網(wǎng)邊與前一茬網(wǎng)邊先綁扎3～5點。然后按設(shè)計間排距打設(shè)錨桿，壓緊金屬網(wǎng)緊貼巷道表面。要求如下：

所有網(wǎng)邊鋼絲端頭均與周邊金屬網(wǎng)搭接，不得空缺。金屬網(wǎng)搭接長度100mm；每隔200mm用雙股10#鐵絲綁扎牢。聯(lián)網(wǎng)時，雙絲雙扣，扭結(jié)不小于3圈。

3.2.3 錨索施工工藝：定位錨索孔→打孔→逐個安裝樹脂錨固劑→安裝托盤及鎖具→聯(lián)接千斤頂及油泵→張拉錨索至設(shè)計拉力。錨索施工工藝要求：

（1）錨索錨固頭的加工。在錨固頭安裝毛刺和擋圈或焊接直徑20mm、長度100mm的螺紋鋼，最后盤成圈。

（2）打錨索眼。在鉆孔時要保持鉆機底部不挪動，以免鉆孔軸線不直，給錨索安裝帶來困難。

錨索滯后迎頭約3～5m，及時安裝設(shè)錨索并張緊。

（3）錨索的錨固。依次將超快樹脂藥卷、中速樹脂藥卷放在孔底。用鋼絞線頂住藥卷，用攪拌器將錨桿機和鋼絞線連接，啟動錨桿機攪拌樹脂藥卷，邊推進邊攪拌。攪拌時間大于30s，等待2min回落鉆機，卸下攪拌器，完成錨索的內(nèi)錨固。

（4）樹脂藥卷的養(yǎng)護。攪拌充分后，為了要提供足夠的樹脂藥卷養(yǎng)護時間，要求等待約30min。

（5）張拉。待樹脂錨固劑凝固后，安裝托盤和與鋼絞線配套的鎖具，然后用張拉千斤頂張緊鋼絞線并達到設(shè)計錨索預(yù)緊力120kN。

3.3 巷道圍巖變形分析

現(xiàn)場對巷道進行了表面位移觀測，巷道全長1000m，共設(shè)置6個測站，測站位置距離巷道開窩位置分別為195m、215m、275m、300m、340m、410m。經(jīng)過近2個月時間觀測，巷道兩幫初期移近速率小，最大移近量為350mm，基本穩(wěn)定所需時間為30d，巷道掘開3個月后兩幫進入微小變形狀態(tài)，兩幫變形速度為0.98mm/d；窄煤柱幫最大移近量為192mm，基本穩(wěn)定所需時間為30d，速度為2.5mm/d，3個月后窄煤柱幫變形速度為0.5mm/d；頂板最大下沉量為119mm，完全穩(wěn)定所需時間為15d，速度為

1mm/d，3個月后頂板進入微小下沉狀態(tài)，下沉速度為0.72mm/d。

3.4 巷道控制效果對比分析

對比巷道為5301運輸巷，該巷道位于5101工作面采空區(qū)與5103工作面采空區(qū)孤島煤柱之間，巷道距上區(qū)段工作面和下區(qū)段工作面均為6～7m，該巷道前期采用炮掘掘進，后期改為綜掘掘進，巷道沿煤層底板掘進，斷面形狀為梯形，巷道服務(wù)年限為3～5年。5301運輸巷已投入使用一年以上，53采區(qū)集中運輸巷為新掘巷道，將兩條巷道在掘進時期的變形量進行同比，進而比較二者自開掘進入穩(wěn)定狀態(tài)所需的時間長短，最后比較巷道最終變化量，從而得到準(zhǔn)確、全面的對比結(jié)果。

根據(jù)觀測數(shù)據(jù)顯示，在掘進影響期內(nèi)，對比巷道兩幫的最大變形量為645mm，上幫的最大變形量為450mm；而53采區(qū)集中運輸巷兩幫的最大變形量為350mm，窄煤柱幫的最大變形量為195mm。巷道采用新型錨桿支護技術(shù)之后，巷道變形量僅為原來的1/2左右，支護效果顯著；對比巷道頂?shù)椎淖畲笠平繛?02mm，而53采區(qū)集中運輸巷頂?shù)椎淖畲笠平繛?10mm，巷道變形量僅為原來的1/2左右，支護效果顯著；對比巷道頂?shù)谆痉€(wěn)定所需時間為50d，之后巷道進入穩(wěn)定流變變形階段，其頂?shù)椎牧髯兯俣?mm/d；而53采區(qū)集中運輸巷頂?shù)谆痉€(wěn)定所需時間為35d，之后巷道進入穩(wěn)定流變變形階段，其頂?shù)琢髯兯俣葹?mm/d?？梢?，巷道采用新型錨桿支護技術(shù)之后，巷道掘進影響穩(wěn)定時間比原來縮短了15d，即巷道能夠較快度過掘進影響時期，進入穩(wěn)定流變階段，3個月后移近速度降低為0.72mm/d，巷道進入完全穩(wěn)定狀態(tài)。

4 結(jié)語

（1）運用FLAC3D研究分析了不同窄煤柱寬度窄煤柱垂直應(yīng)力分布規(guī)律，分為四個方案：3m煤柱、4m煤柱、5m煤柱、7m煤柱，不同煤柱寬度，煤柱內(nèi)應(yīng)力分布形態(tài)也不相同，窄煤柱寬度為4m時，窄煤柱內(nèi)存在穩(wěn)定區(qū)域，水平位移也比較小，綜合考慮距采空區(qū)側(cè)2～5m范圍為5401采空區(qū)側(cè)向支承壓力應(yīng)力降低區(qū)，確定合理的窄煤柱寬度為4m。

（2）對比巷道采用普通錨桿支護技術(shù)，布置在18m孤島煤柱中間，巷道自掘開至完全穩(wěn)定期間頂?shù)鬃畲笠平繛?50mm，兩幫最大移近量為800mm；項目試驗巷道采用高強高預(yù)緊力錨桿支護技術(shù)，布置位置避開18m煤柱中部高集中應(yīng)力，巷道自掘開至完全穩(wěn)定期間頂?shù)鬃畲笠平繛?00mm，兩幫最大移近量為400mm，巷道掘開3個月后頂?shù)滓平俣冉档椭?.72mm/d，兩幫移近速度降低至0.92mm/d。可見，綜合考慮改善錨桿支護技術(shù)及巷道布置方式后，巷道圍巖控制效果得到明顯提高，消除了巷道安全隱患，為礦井安全生產(chǎn)做出較大的貢獻。同時該實驗巷道較采用普通錨桿支護技術(shù)施工的孤島煤柱巷道修護費用得到大幅度下降，該項支護技術(shù)達到國內(nèi)領(lǐng)先水平。

（3）5#煤三采區(qū)集中運輸?shù)赖氖┕ひ环矫娼鉀Q了5#煤三采區(qū)風(fēng)量偏低的問題，為5305工作面兩道布置掘進工作面創(chuàng)造了基本條件，另一方面也解決了5305運輸?shù)谰蜻M期間的運輸問題。

作者簡介：李大懷（1964—），男，江蘇睢寧人，徐州礦務(wù)集團新疆天山礦業(yè)有限責(zé)任公司董事長，研究生，研究方向：工業(yè)工程。

（責(zé)任編輯：文 森）