小煤柱沿空掘巷圍巖控制技術(shù)研究

孫春生

(西山煤電集團(tuán)有限責(zé)任公司 馬蘭礦，山西 太原 030205)

我國(guó)很多礦區(qū)賦存4 m以上的厚煤層，傳統(tǒng)的開(kāi)采方法是厚煤層分層開(kāi)采或放頂煤開(kāi)采，而大采高一次采全高的開(kāi)采方法因工藝簡(jiǎn)單、煤炭損失少，得到廣泛應(yīng)用。厚煤層工作面沿上區(qū)段采空區(qū)留小煤柱掘巷技術(shù)在特定條件下圍巖控制效果較為理想[1-7]. 但絕大多數(shù)礦區(qū)，沿空掘巷后受頂?shù)装鍘r性、煤層特性和開(kāi)采強(qiáng)度等條件影響，巷道形成時(shí)間稍長(zhǎng)或受工作面采動(dòng)，巷道圍巖變形極為敏感，沿空側(cè)煤壁位移強(qiáng)烈，肩角劇烈下沉，巷道圍巖變形破壞顯著，沿空掘巷圍巖控制技術(shù)需要有新的根本突破[8-14]. 另外，對(duì)厚煤層綜采放頂煤開(kāi)采工藝下的小煤柱沿空巷道研究的較多，但對(duì)于厚煤層一次采全高開(kāi)采工藝沿空巷道研究的很少[15，16].本文對(duì)淮南礦業(yè)集團(tuán)某礦11613大采高綜采工作面軌道順槽小煤柱沿空掘巷支護(hù)技術(shù)進(jìn)行了研究。

1 工程概況

11613工作面標(biāo)高-640～-720 m，位于礦井東翼13-1煤層采區(qū)東翼六階段，工作面西至東一C組采區(qū)回風(fēng)下山，東至-720 m東二13-1采區(qū)軌道石門(mén)，北至11513運(yùn)輸順槽，南到-720 m煤層底板等高線；北邊11513工作面已于2004年10月收作，11613回風(fēng)順槽車場(chǎng)正在掘進(jìn)，11613底抽巷和頂板抽采巷已施工完畢，-720 m以下13-1煤尚未開(kāi)采，走向長(zhǎng)度1 932 m，傾斜長(zhǎng)度205 m. 煤層產(chǎn)狀185°～200°∠10～15°，平均厚度5.53 m，煤層結(jié)構(gòu)0.43 (0.3) 3.6 (0.4) 0.8 m，煤層為黑色，以粉末狀為主，含較多顆粒及少量塊狀，屬半暗半亮型，含1～2層泥巖或炭質(zhì)泥巖夾矸。煤層傾角10°～15°，平均傾角12°. 煤層基本頂為中砂巖，厚度為5.47 m，顏色為灰白色，主要為石英，長(zhǎng)石次之，硅質(zhì)膠結(jié)，緩波狀層理，局部相變?yōu)樯百|(zhì)泥巖。直接頂為泥巖和13-2煤，厚度為4.56 m，泥巖為深灰色，泥質(zhì)結(jié)構(gòu)，含較多植化碎片，見(jiàn)滑面，易碎；13-2煤局部相變?yōu)樘抠|(zhì)泥巖。

2 巷道穩(wěn)定性數(shù)值模擬

采用FLAC數(shù)值模擬軟件，根據(jù)礦井各巖層、煤層參數(shù)值制定了模擬方案。巷道開(kāi)挖后，巷道高幫布置兩排走向錨索梁，并在煤體內(nèi)注水泥漿液，在巷道的高幫、低幫、頂板、底板表面分別布置收斂測(cè)點(diǎn)，待巷道變形穩(wěn)定后，得到表面收斂曲線，分別見(jiàn)圖1，2，3.

1) 對(duì)比圖1中的a)和b)，可以看到巷道變形機(jī)理的區(qū)別，造成巷道底鼓主要有3個(gè)因素：高幫在應(yīng)力作用下向底板側(cè)運(yùn)動(dòng)；低幫在應(yīng)力作用下向底板運(yùn)動(dòng)；底板深部巖體本身在應(yīng)力作用下的底板鼓起。加固前，三者對(duì)底鼓的貢獻(xiàn)比率大致為40%、40%、20%；高幫加固后，三者的比率大致為20%、30%、50%.同時(shí)得出，巷道兩幫向底板運(yùn)動(dòng)是造成底鼓的主要原因，在實(shí)踐中加固幫部可控制巷道底鼓。

圖1 巷道變形矢量圖

圖2 加固后巷道幫部變形曲線圖

圖3 加固后巷道頂?shù)装遄冃吻€圖

2) 高幫變形量為196 mm，低幫變形量為271 mm.高幫采取錨索梁加固及注漿后，高幫的變形減少幅度達(dá)到48%，低幫變形量略微減少，減少量?jī)H10 mm.

3) 頂板變形量在122 mm左右，底鼓量達(dá)到700 mm，底鼓量占到頂?shù)装遄冃蔚?5%.采取高幫加固后，頂板的變形量減少了13 mm，而底鼓量減少105 mm.由此可見(jiàn)，加固幫部對(duì)于底鼓量的控制有一定的效果。

4) 巷道掘進(jìn)后，小煤柱出現(xiàn)同時(shí)向巷道內(nèi)和上區(qū)段變形的現(xiàn)象，正是這種張拉作用破壞了小煤柱的結(jié)構(gòu)。巷道高幫變形量大于低幫，底鼓量大于頂板下沉量，小煤柱80%的變形均為巷道側(cè)3 m表面的松動(dòng)擴(kuò)容變形，本區(qū)段實(shí)體煤變形主要集中在8 m范圍內(nèi)，底鼓主要集中在底板5 m的區(qū)域。

3 巷道圍巖支護(hù)方案

為保證巷道在最終變形后能滿足通風(fēng)、行人等安全生產(chǎn)需要，預(yù)留巷道斷面以滿足變形的要求，巷道斷面均為直墻梯形，軌道運(yùn)輸巷設(shè)計(jì)斷面：凈寬5.0 m×中高3.0 m.

1) 巷道頂板采用7根IV級(jí)左旋螺紋鋼超高強(qiáng)預(yù)拉力錨桿加5.0 m長(zhǎng)M5型鋼帶、鋼筋網(wǎng)(80 mm×80 mm，5.2 m×1.0 m)聯(lián)合支護(hù)，錨桿規(guī)格為d22-M24-2 800 mm，每根錨桿用d28 mm鉆頭打眼、兩節(jié)Z2380型中速樹(shù)脂藥卷加長(zhǎng)錨固；錨桿間距750 mm，排距800 mm.

2) 巷道低幫采用4根IV級(jí)左旋螺紋鋼超高強(qiáng)預(yù)拉力錨桿加2.4 m長(zhǎng)M5型鋼帶、鋼筋網(wǎng)(80 mm×80 mm，2.4 m×1.0 m)聯(lián)合支護(hù)，錨桿規(guī)格為d22-M24-2 500 mm. 每根錨桿采用一節(jié)Z2380型中速樹(shù)脂藥卷加長(zhǎng)錨固；錨桿間距為700 mm，排距為800 mm.

3) 巷道高幫采用3根IV級(jí)左旋螺紋鋼超高強(qiáng)預(yù)拉力錨桿和兩根4.3 m長(zhǎng)的錨索加3.4 m長(zhǎng)M5型鋼帶、鋼筋網(wǎng)(80 mm×80 mm，3.4 m×1.0 m)聯(lián)合支護(hù)，排間相鄰的兩根錨索采用1.2 m的14#槽鋼(兩眼孔，孔間距800 mm)連接。錨桿規(guī)格為d22-M24-2 800 mm，每根錨桿采用兩節(jié)Z2380型中速樹(shù)脂藥卷加長(zhǎng)錨固；錨索規(guī)格為d21.8 mm×4.3 m，眼孔深度4.0 m，每孔采用兩節(jié)Z2380中速樹(shù)脂藥卷加長(zhǎng)錨固，以保證錨固效果；預(yù)緊力80～100 kN，錨固力不低于200 kN. 具體參數(shù)及布置形式見(jiàn)圖4,5. 錨桿間距為750 mm，排距為800 mm. 巷道超高導(dǎo)致幫部鋼帶離底板超過(guò)250 m時(shí)，要求在巷道下方沿走向鋪鋼帶壓網(wǎng)打錨桿，錨固要求不變。

4) 在頂板每排錨桿中間位置布置一套高預(yù)應(yīng)力錨索梁，鋼絞線規(guī)格為d21.8 mm×7.8 m，鋼絞線下鋪設(shè)2.6 m的14#槽鋼，槽鋼上三眼孔，間距1.1 m，排距為800 mm. 同時(shí)沿巷道走向布置兩排走向錨索梁，鋼絞線下鋪設(shè)1.2 m的14#槽鋼。所有的錨索和槽鋼間配16 mm×100 mm×200 mm鐵墊。錨索眼孔深度為7.5 m，每孔采用三節(jié)Z2380中速樹(shù)脂藥卷加長(zhǎng)錨固，以保證錨固效果；預(yù)緊力80～100 kN，錨固力不低于200 kN. 錨索梁緊跟迎頭施工，具體參數(shù)見(jiàn)圖4，5.

圖4 11613工作面上順槽錨帶網(wǎng)索支護(hù)參數(shù)圖

圖5 11613工作面上順槽高幫支護(hù)參數(shù)圖

4 巷道圍巖支護(hù)效果

為了解沿空掘巷支護(hù)效果，對(duì)11613工作面小煤柱沿空掘巷進(jìn)行觀測(cè)，以掌握大采高綜采條件下小煤柱沿空掘巷圍巖活動(dòng)規(guī)律和礦壓顯現(xiàn)特征，為其他工作面提供參考。經(jīng)過(guò)觀測(cè)得到變形量曲線和變形速率曲線，分別見(jiàn)圖6，7. 巷道的變形主要集中于巷道掘出后30 d，變形量占到總體變形的70%以上，超過(guò)50 d后，巷道圍巖變形趨于穩(wěn)定。

圖6 巷道兩幫變形曲線圖

圖7 巷道頂?shù)装遄冃吻€圖

5 結(jié) 論

通過(guò)對(duì)11613大采高綜采工作面軌道順槽小煤柱沿空掘巷支護(hù)技術(shù)的研究和現(xiàn)場(chǎng)工業(yè)性試驗(yàn)，提出了大采高小煤柱沿空掘巷的預(yù)應(yīng)力巷道圍巖控制技術(shù)方案，得出以下結(jié)論：

1) 通過(guò)數(shù)值模擬得出巷道掘進(jìn)后，小煤柱出現(xiàn)同時(shí)向巷道內(nèi)和上區(qū)段變形的現(xiàn)象，巷道高幫變形量大于低幫，底鼓量大于頂板下沉量，本區(qū)段實(shí)體煤變形主要集中在8 m范圍內(nèi)，底鼓主要集中在底板5 m的區(qū)域，通過(guò)加固幫部可有效控制巷道底鼓。

2) 結(jié)合預(yù)應(yīng)力支護(hù)技術(shù)體系，提出在掘進(jìn)階段采取預(yù)應(yīng)力錨帶網(wǎng)索支護(hù)方案，并在高幫煤體以及頂、幫等破碎處進(jìn)行關(guān)鍵部位錨索加強(qiáng)支護(hù)，現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)驗(yàn)證了支護(hù)設(shè)計(jì)方案的效果，保證了礦井的安全生產(chǎn)。