窄煤柱寬度確定與圍巖控制技術(shù)

張志強

（潞安集團潞寧煤業(yè)有限責(zé)任公司， 山西 忻州 036700）

在沿空掘巷工藝實施當(dāng)中，合理窄煤柱寬度確定工作十分重要，這是因為留設(shè)合理的區(qū)段煤柱能夠避免下區(qū)段回采巷道處在高應(yīng)力區(qū)導(dǎo)致維護困難，同時也可以避免上區(qū)段或采空區(qū)積水、瓦斯等影響。傳統(tǒng)的長壁工作面在開采過程中需要預(yù)留一定能寬度的煤柱，通常其長度為30 m，從而保證上下區(qū)煤段的穩(wěn)定性，煤柱的承載性能也相對較好，下區(qū)段的回踩巷道可以保持穩(wěn)定，維護工作也更加容易。

1 方法分析

傳統(tǒng)支護方式是采用金屬支架進行支護，該項技術(shù)在實際使用當(dāng)中較為落后，并且成本難以控制，為了能夠進一步發(fā)揮沿空掘巷的優(yōu)越性。特別是采掘銜接緊張時，難免在回采同時圈定下一個工作面，煤柱寬度的確定尤為重要。某礦受采動影響22115工作面2號煤厚1～4.5 m，平均厚度3.5 m，煤層呈單斜構(gòu)造，局部地段煤層受古河流沖刷構(gòu)造影響，頂板凹凸不平，煤層變薄，煤層結(jié)構(gòu)復(fù)雜，含兩層不連續(xù)夾石，煤層層理發(fā)育，煤層傾角12°～14°，平均為13°，煤層硬度為3.5。22115回風(fēng)巷偽頂為炭質(zhì)泥巖，容易風(fēng)化，風(fēng)化后強度低易碎，22115回風(fēng)巷繞道掘進期間，頂板圍巖風(fēng)化嚴(yán)重，成型差，直接頂為粉砂巖，基本頂為砂巖，硬度較大，屬較穩(wěn)定的巖層。

2 沿空掘巷合理窄煤柱寬度確定

2.1 理論計算

合理窄煤柱寬度B為：

式中：x1為上區(qū)段工作面開采在煤柱中產(chǎn)生的塑性區(qū)寬度為上區(qū)段平巷高度，m；A為側(cè)壓系數(shù)為泊松比；φ0為煤體內(nèi)摩擦角（°）；C0為煤體黏聚力，MPa；k為應(yīng)力集中系數(shù)；h為巷道埋藏深度，m；γ為巖層重力密度，MN/m3；P0為上區(qū)段平巷支架對下幫的支護阻力，MPa；x2為錨桿錨入煤柱的深度；x3為安全系數(shù)，x3=（0.15～0.35）（x1+x2）[1，2]。

依據(jù)礦井具體資料，22115回風(fēng)巷上鄰22113運輸巷，22113運輸巷高3.3 m，泊松比取0.3，側(cè)壓系數(shù)為0.43，煤體內(nèi)摩擦角取30°，煤體黏聚力為0.8 MPa，巷道埋藏深度560 m，巖層重力密度為25 MN/m3，22113運輸巷下幫支護阻力約0.206 MPa，錨索桿錨入煤柱的深度為2.4 m，22113工作面正在回采，采空區(qū)極不穩(wěn)定，煤柱受兩次動壓影響，應(yīng)力集中系數(shù)取4，可得x1為10.31 m，x2為2.4 m，x3為1.91～4.45 m，為最終可得煤柱寬度為14.62～17.16 m。

2.2 數(shù)值模擬

22115回風(fēng)巷寬4.3 m，高3.6 m，沿2號煤頂板掘進，2號煤層厚度變化不大，從1.0～4.0 m，平均厚度3.5 m。三維模型的邊界條件取為：四周采用鉸支，底部采用固支，上部為自由邊界。

通過最終模擬情況可知，數(shù)值模型中支護參數(shù)：錨桿桿體為Φ22 mm左旋無縱筋螺紋鋼筋，長度2400mm，桿尾螺紋為M24mm。頂板錨桿間距900mm，每排5根錨桿，排距900 mm。錨索材料為Φ22 mm，1×19股高強度低松弛預(yù)應(yīng)力鋼絞線。頂板每排錨桿打2根錨索，間距1 800 mm，排距1 800 mm。兩幫錨桿間距950 mm，每排每幫4根錨桿，排距900 mm。外側(cè)幫采用鋼筋托梁和金屬網(wǎng)護幫，內(nèi)側(cè)幫采用金屬網(wǎng)護幫。

1）22113工作面回采后，22113回風(fēng)巷外側(cè)煤壁出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，主要表現(xiàn)為垂直應(yīng)力場，最大值達(dá)到23 MPa，應(yīng)力集中區(qū)域在煤壁內(nèi)3～10 m的范圍內(nèi)。因此，在沿空掘巷時必須避開應(yīng)力集中區(qū)才能有利于巷道維護。

2）在煤柱寬度5 m時布置22115回風(fēng)巷，正好處于22113工作面回采后的應(yīng)力集中區(qū)。開掘巷道后應(yīng)力集中向煤體轉(zhuǎn)移并出現(xiàn)應(yīng)力疊加現(xiàn)象，最大垂直應(yīng)力26 MPa。應(yīng)力降低區(qū)超出錨桿支護的范圍，說明在錨固區(qū)巷道圍巖受到破壞，錨桿支護不能滿足巷道支護的要求。

3）隨著22115回風(fēng)巷與采空區(qū)煤柱寬度的增大，垂直應(yīng)力和水平應(yīng)力疊加程度逐漸降低，最大垂直應(yīng)力分別為 28.5、24.7、23.6、23.9 MPa，最大水平應(yīng)力分別為 12.8、11.87、11.77、11.46 MPa。因此，在煤柱寬度增大到一定值后，集中應(yīng)力最大值基本不變。

3 沿空掘巷圍巖控制技術(shù)分析

在巷道頂板以及兩幫選擇中，主要是采用500號鋼的M24-Φ22×2 400 mm的左旋無縱筋螺紋鋼錨桿，用兩支樹脂錨固劑，一支規(guī)格為MSK2335，另一支規(guī)格為MSZ2360，需要確保錨桿預(yù)緊扭矩在400 N·m以上，將錨桿的排距設(shè)置為900 mm，錨桿托板為鐵制穹型高強托板，并配合上W型鋼護板，頂板采用W型鋼帶。在巷道頂板上布置錨索，錨索的間距為1.8 m之間，排距為0.9 m，在錨索選擇上，主要是采用了預(yù)應(yīng)力鋼絞線，規(guī)格為長度7.3 m、直徑Φ22 mm，采用一支MSK2335和兩支MSZ2360樹脂錨固劑錨固，該錨索張拉預(yù)緊力可以達(dá)到300 kN。如果在施工過程中發(fā)現(xiàn)煤巖較為破碎，則需要適當(dāng)對支護形式進行調(diào)整，從而保障煤礦施工與采集質(zhì)量與安全。根據(jù)當(dāng)今煤礦行業(yè)巷道錨網(wǎng)索應(yīng)用現(xiàn)狀，主要是采用錨網(wǎng)索作為窄煤柱幫的支護材料[3，4]。

1）頂板離層。通常情況下，在實際實施當(dāng)中頂板離層儀淺基點要比深基點離層值更大一些，如果二者的變化趨勢大致相同，則表明通過該工藝施工后取得了一定的效果，降低了圍巖頂板的離層量。在對工作面進行各項測點時，巷道離層值可能會產(chǎn)生很大的變化，但是隨著后續(xù)工作的持續(xù)進行，則離層值會逐漸趨于穩(wěn)定。

2）礦壓觀測以及效果分析。為了能夠驗證上述支護工作是否合理，需要對該巷道進行礦壓觀測，以及掘進階段和回采階段圍巖具體的變形量。該巷道由于在掘進初期變形速度較快，之后巷道變形逐漸減緩，在掘進了19 d之后逐漸趨于穩(wěn)定，穩(wěn)定后對巷道兩幫位移量進行測量，數(shù)值為200 mm，頂板移動量為150 mm，因此圍巖控制效果滿足實際標(biāo)準(zhǔn)。在回采初期巷道兩幫位移量為950 mm，頂板位移量為670 mm，在工作面前方40 m處的巷道圍巖變形量所有增加，且在工作面前方20 m位置變形速度加快，所以在工作面回采過程中需要采用超前支護方法。

4 結(jié)語

在實際工作當(dāng)中，受采動影響的窄煤柱寬度計算中可以采用理論計算和數(shù)值模擬計算相結(jié)合的方法，以圍巖大小結(jié)構(gòu)作為基礎(chǔ)依據(jù)，從而計算出沿空掘巷支護參數(shù)，窄煤柱幫采用錨索加強支護方法進行加固處理，從而保證巷道的穩(wěn)定性，提高煤礦開采效益。