王家?guī)X綜放厚煤層工作面窄煤柱護(hù)巷圍巖控制技術(shù)研究

張 濤 ，郝兵元

（1.太原理工大學(xué)，山西太原030024；2.山西中煤華晉集團(tuán)王家?guī)X礦，山西 運(yùn)城043300）

0 引 言

我國(guó)絕大多數(shù)煤礦的開采方法都屬于井工開采方法，因此回采巷道的支護(hù)是礦山開采中的重中之重，巷道的支護(hù)是煤礦開采中需要首要考慮的因素，可靠的支護(hù)技術(shù)是礦井安全、高效生產(chǎn)的基礎(chǔ)。在我國(guó)傳統(tǒng)采礦中，通常都是采用較寬的區(qū)段煤柱維護(hù)回采工作面與巷道之間的穩(wěn)定，但是這種方法對(duì)煤炭的采出率影響很大并且造成了較大的資源浪費(fèi)。

近幾十年，我國(guó)的學(xué)者為解決煤礦采用區(qū)段煤柱護(hù)巷時(shí)造成較大的資源浪費(fèi)，采出率較低等問題，對(duì)無煤柱護(hù)巷或窄煤柱護(hù)巷技術(shù)進(jìn)行了深入等研究，例如侯朝炯等[1]針對(duì)綜放沿空掘巷圍巖的特點(diǎn),提出了綜放沿空掘巷圍巖大、小結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性原理,為錨桿支護(hù)的成功應(yīng)用提供了理論依據(jù)；柏建彪等[2]通過數(shù)值計(jì)算分析,研究了綜放沿空掘巷圍巖變形及窄煤柱的穩(wěn)定性與煤柱寬度、煤層力學(xué)性質(zhì)及錨桿支護(hù)強(qiáng)度之間的關(guān)系；謝光祥等[2]在較薄厚煤層綜放面傾向煤柱支承壓力現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)的基礎(chǔ)上,應(yīng)用彈塑性極限平衡理論,考慮煤層厚度及傾角的影響,分析得出綜放面傾向煤柱支承壓力峰值位置的計(jì)算式及分布規(guī)律。以上等眾多學(xué)者給出了研究此類窄煤柱問題的重要思路，因此基于實(shí)際問題對(duì)王家?guī)X礦窄煤柱問題進(jìn)行研究，為相似礦井的研究提供可靠性依據(jù)。

為解決王家?guī)X煤礦留設(shè)20m 區(qū)段煤柱存在著造成資源浪費(fèi)較大、煤炭采出率較低以及在工作面回采巷道礦壓顯現(xiàn)強(qiáng)烈等問題為解決上述問題，基于王家?guī)X煤礦20108 工作面為實(shí)際生產(chǎn)地質(zhì)條件，采用理論計(jì)算、分析、井下實(shí)測(cè)煤柱應(yīng)力等方法確定窄煤柱的合理寬度；并對(duì)回采巷道的支護(hù)進(jìn)行設(shè)計(jì)。

1 工程背景

王家?guī)X礦位于山西省河津市固鎮(zhèn)村北王家?guī)X，設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力為600 萬t/a，礦井主副井均采用平硐開拓，主平硐鋪設(shè)膠帶輸送機(jī)輸煤，副平硐采用無軌膠輪車進(jìn)行輔助運(yùn)輸，采煤工藝為綜采放頂煤。20108工作面位于王家?guī)X煤礦的201 盤區(qū)的西翼，201 工作面面長(zhǎng)260 m，推進(jìn)長(zhǎng)度1200 m，工作面地表位于鄉(xiāng)寧縣栆?guī)X鄉(xiāng)，區(qū)內(nèi)無村莊，地面標(biāo)高+700 m～+800 m，20108 工作面所采煤層為2 號(hào)煤層，煤層厚度約為5.96～7.52 m，平均厚度6 m。煤層傾角小，平均約為3°左右。煤層結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，層理裂隙較發(fā)育，為半暗～半亮型煤，一般含1～2 層碎塊～粉末狀泥巖、炭質(zhì)泥巖夾矸。頂?shù)装褰Y(jié)構(gòu)見表1。

表1 頂?shù)装褰Y(jié)構(gòu)表

2 厚煤層綜放面?zhèn)认蛑С袎毫ρ莼?guī)律

2.1 采空區(qū)穩(wěn)定前側(cè)向支承壓力分布

工作面回采之后，工作面上覆巖層會(huì)隨之垮落形成采空區(qū)，其原有的應(yīng)力狀態(tài)會(huì)被破壞，根據(jù)礦壓理論可知，當(dāng)工作面回采過后，開采后的上覆巖層所形成的結(jié)構(gòu)，是由“煤壁—已經(jīng)冒落的矸石”來共同支撐上覆巖層的重量，因此其上覆巖層的應(yīng)力峰值會(huì)向?qū)嶓w煤側(cè)發(fā)生轉(zhuǎn)移。掌握上區(qū)段工作面回采過程中側(cè)向支承壓力的演化規(guī)律對(duì)巷道位置以及窄煤柱的寬度有著指導(dǎo)性的作用。

側(cè)向支承壓力的演化是由工作面端部結(jié)構(gòu)變化引起的。在工作面剛推進(jìn)過后，由于圖1 中A 巖塊尚未斷裂，三角滑移區(qū)還未形成，側(cè)向支承壓力曲線的分布懸臂梁控制，其分布如圖1 所示。

圖1 采空區(qū)穩(wěn)定前側(cè)向支承壓力分布

由上圖可知，側(cè)向支承壓力受到低位關(guān)鍵層和高位關(guān)鍵層及其以上巖層運(yùn)動(dòng)的影響。應(yīng)力變化趨勢(shì)為沿著工作面的傾向方向從回采巷道開始應(yīng)力逐漸增大并達(dá)到峰值且這部分為塑性區(qū)，峰值過后開始逐漸減小并減小到原巖應(yīng)力。

2.2 采空區(qū)穩(wěn)定后側(cè)向支承壓力分布

上區(qū)段工作面回采過后一定時(shí)間后，由于受到采空區(qū)的影響工作面端部結(jié)構(gòu)會(huì)形成三角滑移區(qū)，其運(yùn)動(dòng)特征三角滑移區(qū)及其上覆巖層會(huì)在采空區(qū)的一側(cè)發(fā)生回轉(zhuǎn)下沉，與煤柱上方的巖體會(huì)形成鉸接結(jié)構(gòu)，其作用于下方的載荷會(huì)分解為沿采空區(qū)方向的力與下方的煤巖體的載荷，使得煤柱上方的應(yīng)力有所減小，穩(wěn)定后側(cè)向支承壓力分布曲線如圖2 所示。

圖2 采空區(qū)穩(wěn)定后側(cè)向支承壓力分布

采空區(qū)穩(wěn)定后，側(cè)向支承壓力峰值有所降低，范圍有所增大，范圍增大的原因在于經(jīng)歷高值支承壓力的影響塑性區(qū)的范圍增大，致使采空區(qū)穩(wěn)定后側(cè)向支承壓力影響范圍增大。

通過分析采空區(qū)穩(wěn)定前后的側(cè)向支承壓力的分布，可以了解采空區(qū)的側(cè)向支承壓力均呈現(xiàn)先升高后降低最會(huì)趨于穩(wěn)定的狀態(tài)的規(guī)律，其沿著采空區(qū)煤壁可將支承壓力分為穩(wěn)定后應(yīng)力降低區(qū)、應(yīng)力增高區(qū)、原巖應(yīng)力區(qū)，因此了解應(yīng)力降低區(qū)的范圍并將巷道以及煤柱布置與其中，會(huì)使巷道的圍巖變形以及煤柱的變形得到很好的控制，對(duì)于礦井的安全有著重要的意義。

3 煤柱應(yīng)力監(jiān)測(cè)

了解上工作面回采后煤體內(nèi)的側(cè)向支承壓力分布規(guī)律，確定應(yīng)力變化的范圍是選擇巷道位置以及煤柱合理尺寸的依據(jù)。

為監(jiān)測(cè)和分析煤柱承載應(yīng)力的變化情況，掌握整個(gè)煤柱的應(yīng)力分布、分析臨近工作面開采后煤柱應(yīng)力的變化規(guī)律及安全性、分析煤柱承載應(yīng)力與煤柱變形的相互關(guān)系。在20105 工作面軌道順槽距工作面前方50m 煤柱側(cè)安裝圍巖（鉆孔）應(yīng)力測(cè)點(diǎn)，順槽內(nèi)共布置安裝1 組應(yīng)力測(cè)點(diǎn)，安裝6 個(gè)圍巖應(yīng)力傳感器，其中鉆孔深度分別為2m、4m、6m、9m、12m、15m，孔間距為2m。

圖3 煤柱應(yīng)力計(jì)布置圖

圖4 煤柱應(yīng)力計(jì)現(xiàn)場(chǎng)安設(shè)

圖5 煤柱應(yīng)力監(jiān)測(cè)結(jié)果（實(shí)測(cè)）

由圖5 可知，測(cè)點(diǎn)距工作面5～15m 前，煤柱應(yīng)力隨工作面推進(jìn)不斷增大，之后略為減小，煤柱應(yīng)力峰值位于深度6m 處，其值為26.2MPa，表明塑性破壞深度為6m。深度9m 和12m 處煤柱應(yīng)力較深度6m 處大幅降低與現(xiàn)有研究大為不符，這是因?yàn)樾枰你@孔直徑Φ42mm 與實(shí)際Φ50mm 不符，這造成塑性破壞區(qū)內(nèi)鉆孔塌孔，煤柱應(yīng)力可傳遞至傳感器，而彈性核區(qū)內(nèi)鉆孔變形較小，煤柱應(yīng)力難以傳遞至傳感器的情況。結(jié)合現(xiàn)有研究成果，對(duì)煤柱側(cè)向支承壓力分布曲線推測(cè)如圖6 所示。

圖6 側(cè)向支承壓力分布曲線（推測(cè)）

由圖6 側(cè)向支承壓力分布曲線可知，煤柱的應(yīng)力峰值位于距煤壁側(cè)17m 處，峰值為28MPa，應(yīng)力降低區(qū)范圍約為12m，沿空巷道應(yīng)完全處于該區(qū)域內(nèi)，由于巷道的寬度為5.2m，因此窄煤柱的合理留設(shè)寬度應(yīng)為3～7m。

4 合理煤柱寬度的確定

上區(qū)段工作面回采過后，其上覆巖層的關(guān)鍵層在實(shí)體煤的上方斷裂，側(cè)向煤體側(cè)向煤體由煤壁至深部依次存在應(yīng)力降低區(qū)、應(yīng)力升高區(qū)和原巖應(yīng)力區(qū)。為了保證巷道處于應(yīng)力降低區(qū)，應(yīng)時(shí)煤柱的寬度盡可能小，但是窄煤柱的合理寬度也存在這一定的范圍，煤柱過窄時(shí)，煤柱的承載能力小，不利于巷道的穩(wěn)定，且維護(hù)成本較高；煤柱過大時(shí)，一方面會(huì)造成較大的資源浪費(fèi)，另一方面不利于巷道的布置。因此，煤柱存在一個(gè)合理的寬度范圍，既能夠使煤柱處于煤壁附近的應(yīng)力降低區(qū)，又可以減少煤炭資源損失。

上區(qū)段開采后在煤體形成破裂區(qū)、塑性區(qū)、彈塑性區(qū)、彈性區(qū)，沿空巷道在煤體的塑性區(qū)和彈塑性區(qū)內(nèi)開挖，巷道圍巖不同的應(yīng)力區(qū)域重新劃分，建立沿空巷道力學(xué)模型，如圖7 所示。

圖7 合理煤柱寬度計(jì)算模型

按照煤巷兩幫煤體應(yīng)力和極限平衡理論，結(jié)合護(hù)巷煤柱寬度與圍巖變形量的關(guān)系，在考慮提高錨桿錨固力和支護(hù)作用的前提下，使煤柱盡可能小，綜合影響巷道圍巖穩(wěn)定性的主要因素，可按下式確定合理的煤柱寬度W：

式中：x1為上區(qū)段工作面開采后在采空區(qū)側(cè)煤體中產(chǎn)生的破裂區(qū)寬度，其值可由下式給出：

式中：m 為上區(qū)段平巷高度，m；A 為側(cè)壓系數(shù)，A=μ/(1-μ)，μ 為泊松比；φ0為煤體內(nèi)摩擦角，°；C0為煤體內(nèi)粘聚力，MPa；K 應(yīng)力集中系數(shù)，取值范圍2～3；γ—煤巖層平均體積力，容重25kN/m3；H 為巷道埋藏深度，m；Pz為煤幫的支護(hù)阻力，MPa。

對(duì)于王家?guī)X礦21208 工作面各參數(shù)如下：

m=3.6m，K=2.5，φ0=23° ，C0=2.21MPa,γ=25kN/m3，H=360m，Pz=0.15MPa，μ=0.25，將各參數(shù)帶入式（2）可得塑性區(qū)寬度x1為2.24m 左右。x2—幫錨桿的有效長(zhǎng)度，取1.93m；x3—考慮煤層厚度較大而增加的煤柱穩(wěn)定系數(shù)，按(x1+x2)(0.3～0.5)計(jì)算。X3為1.251～2.085。[4]

W=x1+x2+x3=5.421～6.255m

因此，合理的煤柱寬度尺寸為5.421～6.255m。

綜合考慮現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)所得的煤柱應(yīng)力分布所得的合理煤柱寬度尺寸3～7m，以及理論計(jì)算所得的合理煤柱尺寸5.421～6.255m，所以最終選擇煤柱的合理寬度為6.5m。

5 窄煤柱非對(duì)稱支護(hù)設(shè)計(jì)

基于窄煤柱回采巷道應(yīng)力分布的分析及圍巖變形破壞特征，依據(jù)巷道圍巖控制理論，為有效控制巷道圍巖變形破壞發(fā)展，特提出非對(duì)稱窄煤柱護(hù)巷圍巖控制技術(shù)，即對(duì)窄煤柱側(cè)進(jìn)行加強(qiáng)支護(hù)，防止由于局部部位的破壞導(dǎo)致整個(gè)巷道圍巖的失穩(wěn)，保證支護(hù)體與圍巖之間變形協(xié)調(diào)，從而最大限度地發(fā)揮支護(hù)作用及圍巖的自承能力，實(shí)現(xiàn)支護(hù)一體化、荷載均勻化，達(dá)到巷道穩(wěn)定的目的。根據(jù)原支護(hù)方案巷道的變形情況以及工程類比提出合理的支護(hù)方案，其支護(hù)方案如下：

頂板支護(hù)：錨桿選擇Φ20×2500 mm 的左旋無縱筋螺紋鋼錨桿，間排距為900×1000 mm，每排6根，預(yù)緊扭矩為300N·m，全部垂直頂板安裝；錨索選擇Φ18.9×6800 mm，17 股預(yù)應(yīng)力鋼絞線，間排距為2000×2000 mm，每排3 根，全部垂直巷道頂板打設(shè)，錨索張拉鎖定后預(yù)緊力不低于250 kN，W 鋼帶規(guī)格為厚度3mm，寬280mm，長(zhǎng)度5200mm，孔間距900mm；網(wǎng)片規(guī)格：采用10#鐵絲編織的菱形金屬網(wǎng)護(hù)頂，網(wǎng)片規(guī)格3900×1000，網(wǎng)孔規(guī)格30×30mm。用16#鉛絲聯(lián)接，雙絲雙扣，孔孔相連。

小煤柱側(cè)支護(hù)：錨桿選擇Φ20×2500 mm 的左旋無縱筋螺紋鋼錨桿，間排距為800×1000 mm，每排5 根，預(yù)緊扭矩為300N·m，全部垂直巷幫安裝，W 鋼帶護(hù)幫：厚度3mm，寬280mm，長(zhǎng)度3600mm，孔間距800mm。網(wǎng)片規(guī)格：采用10#鐵絲編織的菱形金屬網(wǎng)護(hù)幫，網(wǎng)片規(guī)格3600×1000，網(wǎng)孔規(guī)格30×30mm。用16#鉛絲聯(lián)接，雙絲雙扣，孔孔相連。

實(shí)體煤幫支護(hù)：錨桿選擇Φ20×2500 mm 的左旋無縱筋螺紋鋼錨桿，間排距為1000×1000 mm，每排7 根，預(yù)緊扭矩為300 N·m，全部垂直巷幫安裝，W鋼帶護(hù)幫：厚度3mm，寬280mm，長(zhǎng)度3600mm，孔間距1000mm。網(wǎng)片規(guī)格同小煤柱側(cè)?；夭上锏乐ёo(hù)設(shè)計(jì)如圖8：

圖8 回采巷道支護(hù)圖

6 變形監(jiān)測(cè)

通過現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)，圍巖位移變化如圖9：

圖9 巷道表面位移監(jiān)測(cè)結(jié)果

通過在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行礦壓監(jiān)測(cè)可知，巷道的頂?shù)装遄畲笙鄬?duì)移近量為160mm，兩幫最大相對(duì)移近量為230mm，煤柱的最大變形量為130mm，說明圍巖控制效果良好。

7 窄煤柱經(jīng)濟(jì)效益

按照工作面推進(jìn)長(zhǎng)度1200m 計(jì)算，煤層平均厚度6m，密度1.43t/m3，區(qū)段煤柱20m，采出率95%，采用6.5m 的窄煤柱護(hù)巷以后，共計(jì)多回收煤炭資源13萬噸，噸煤效益按照200 元計(jì)算，每個(gè)工作面僅回收煤柱就可以創(chuàng)造經(jīng)濟(jì)效益2600 萬元。

8 結(jié) 論

1）采空區(qū)穩(wěn)定前側(cè)向支承壓力分布主要由端部懸臂梁控制，采空區(qū)穩(wěn)定后由于三角滑移區(qū)向采空區(qū)運(yùn)動(dòng)，關(guān)鍵層及其上覆荷載不需要完全由煤柱承擔(dān)致使側(cè)向支承壓力有所降低、但范圍有所增大；

2）綜合考慮現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)所得的煤柱應(yīng)力分布所得的合理煤柱寬度尺寸3～7m，以及理論計(jì)算所得的合理煤柱尺寸5.421～6.255m，所以最終選擇煤柱的合理寬度為6.5m。

3）針對(duì)窄煤柱護(hù)巷提出非對(duì)稱支護(hù)設(shè)計(jì)，通過現(xiàn)場(chǎng)變形監(jiān)測(cè)可知巷道圍巖變形可以得到較好的控制；

4）通過留設(shè)窄煤柱護(hù)巷，僅減小煤柱寬度就可獲得的利潤(rùn)2600 萬元。