東曲礦綜采工作面小煤柱留巷支護(hù)技術(shù)研究

姬少盼

（西山煤電集團(tuán)公司東曲礦，山西 古交 030200）

煤礦開采深度和強(qiáng)度不斷增加，出現(xiàn)了大量深部高應(yīng)力、強(qiáng)采動(dòng)及沖擊地壓等威脅的巷道，支護(hù)難度大，維護(hù)成本高，成為嚴(yán)重制約礦井安全、高效生產(chǎn)的技術(shù)瓶頸。鑒于巷道支護(hù)難度逐步加大，東曲礦為解決采掘接替緊張局面，采用沿空留巷及小煤柱留巷支護(hù)技術(shù)。

以東曲礦28203工作面巷道小煤柱留巷為工程背景，通過力學(xué)參數(shù)測(cè)試和模擬數(shù)值計(jì)算出小煤柱留巷的巷道圍巖應(yīng)力分布情況，提出了東曲礦小煤柱留巷的巷道支護(hù)技術(shù)方案，留設(shè)合理煤柱寬度前提下，設(shè)計(jì)出高預(yù)應(yīng)力強(qiáng)力錨桿支護(hù)技術(shù)方案，現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)和監(jiān)測(cè)結(jié)果表明，在毗鄰的28202工作面回采后，巷道變形量仍滿足技術(shù)要求，有效解決了東曲礦小煤柱留巷支護(hù)難題。

1 概況

東曲礦28203工作面開采4號(hào)煤層，煤層平均厚度3.2 m，煤層平均傾角4.5°，強(qiáng)度平均值為12.09MPa，該煤層頂板為復(fù)合型頂板。28203工作面臨近3號(hào)煤層部分已回采，巷道為煤柱留巷巷道，凈煤柱寬8m，臨近28206工作面回采過程中，28203工作面巷道嚴(yán)重變形，兩幫位移達(dá)1600mm，底鼓超400mm，增加巷道維修頻率和成本，并對(duì)礦井接替、安全生產(chǎn)造成嚴(yán)重影響。為此，在28203工作面試驗(yàn)小煤柱留巷巷道支護(hù)技術(shù)，解決巷道變形嚴(yán)重和支護(hù)難題。該巷道頂?shù)装寰C合地質(zhì)柱狀如表1所示。

表1 巷道頂?shù)装寰C合地質(zhì)柱狀

通過對(duì)28203工作面巷道地應(yīng)力及頂板巖層強(qiáng)度監(jiān)測(cè)，該巷道水平主應(yīng)力平均值為11.36MPa，垂直主應(yīng)力值為9.67MPa，水平主應(yīng)力方向?yàn)镹W15°，屬構(gòu)造運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生的地應(yīng)力場(chǎng)。通過巷道頂板圍巖強(qiáng)度測(cè)試顯示頂板巖層強(qiáng)度較高。

2 28203巷數(shù)值模擬

針對(duì)28203工作面巷道的地質(zhì)條件，采用數(shù)值計(jì)算軟件FLAC3D分析28203上巷掘進(jìn)和回采過程中巖體的應(yīng)力分布、位移變化規(guī)律，設(shè)計(jì)出巷道支護(hù)技術(shù)方案。

建立數(shù)值計(jì)算模型，對(duì)28203工作面回采后煤柱內(nèi)圍巖應(yīng)力分布情況進(jìn)行分析。

煤柱內(nèi)圍巖應(yīng)力持續(xù)增加，垂直應(yīng)力值31.26MPa大于原巖應(yīng)力值9.89MPa，應(yīng)力集中系數(shù)2.61?？梢娤锏捞幵趪鷰r垂直應(yīng)力增高區(qū)，必須采用高預(yù)應(yīng)力強(qiáng)力錨桿錨索支護(hù)技術(shù)，才能有效控制巷道圍巖應(yīng)力，減少對(duì)巷道的形變破壞。

3 28203工作面巷道支護(hù)

降低圍巖應(yīng)力，增加圍巖強(qiáng)度，改善圍巖受力條件是減小塑性破壞區(qū)范圍，有效控制圍巖變形、破壞的關(guān)鍵。28203工作面巷道為復(fù)用巷道，巷道支護(hù)應(yīng)選用長度2.3m的Φ28mm左旋無縱筋螺紋鋼錨桿，并采用厚度4mm的W型鋼帶護(hù)板構(gòu)件來增加保護(hù)表面積。降低錨桿尾部應(yīng)力集中和預(yù)應(yīng)力損失，減少圍巖形變。巷道支護(hù)設(shè)計(jì)圖見圖2。

（1）錨桿。頂板錨桿采用屈服強(qiáng)度500MPa的高強(qiáng)度左旋無縱筋螺紋鋼錨桿，樹脂加長錨固，預(yù)緊扭矩達(dá)到350N·m，但禁止超過500N·m。煤幫采用圓鋼錨桿，樹脂端部錨固，在頂板及煤幫形成剛度較大預(yù)應(yīng)力承載結(jié)構(gòu)，發(fā)揮主動(dòng)支護(hù)作用。

圖2 巷道支護(hù)設(shè)計(jì)

（2）錨索。錨索采用Φ28mm高強(qiáng)度低松弛預(yù)應(yīng)力鋼絞線，鉆孔直徑32mm，錨索初次張拉達(dá)350kN，并采用樹脂錨固劑錨固，起到補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)效果。與錨桿形成剛度較大預(yù)應(yīng)力承載結(jié)構(gòu)與深部圍巖相連，提高預(yù)應(yīng)力承載結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。

（3）W型鋼護(hù)板。配套使用厚度4mm的W型鋼護(hù)板增強(qiáng)護(hù)表構(gòu)件強(qiáng)度，可將錨桿預(yù)緊力快速分散到圍巖內(nèi)，降低圍巖自身承載能力。

（4）金屬支護(hù)網(wǎng)。采用網(wǎng)孔50mm×50mm，規(guī)格4500mm×1000mm的金屬支護(hù)網(wǎng)護(hù)頂護(hù)幫，雙邊逐孔鏈接。

（5）頂板支護(hù)：錨桿排距850mm，間距900mm，并用礦用金屬支護(hù)網(wǎng)來聯(lián)合護(hù)頂，每根錨桿采用2節(jié)Z2360型中速樹脂錨固劑。錨索長6.5m的Φ28mm高強(qiáng)度低松弛預(yù)應(yīng)力鋼絞線，托板為400×400×16mm的可調(diào)心托板，承載力達(dá)600kN。錨索每排2根，排距900mm，間距1900mm，垂直頂板巖層，錨索預(yù)應(yīng)力不小于350kN。

（6）幫巷支護(hù)：錨桿排距800mm，間距800mm，預(yù)緊扭矩不小于300N·m。每2排錨桿打設(shè)4根錨索，長度4600mm，排距2000mm，間距1500mm，錨索預(yù)應(yīng)力不小于350kN。

4 礦壓監(jiān)測(cè)與數(shù)據(jù)分析

28203工作面巷道掘進(jìn)期間，對(duì)礦壓和錨桿錨索受力情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)與數(shù)據(jù)分析。如圖3所示，巷道掘進(jìn)后30m處錨桿錨索的受力穩(wěn)定，煤幫較頂板錨固穩(wěn)定快，表明高預(yù)應(yīng)力強(qiáng)力支護(hù)可使巷道快速進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)。煤幫的移近量不大于15mm，頂板下沉量不大于10mm，采用高預(yù)應(yīng)力強(qiáng)力錨桿支護(hù)技術(shù)可有效控制圍巖變形。28202工作面回采后，巷道煤幫移近量最大485mm，頂板最大下沉量135mm，只對(duì)巷道起底，降低維修率。

圖3 錨桿錨索受力變化圖

5 結(jié)論

（1）采用高預(yù)應(yīng)力強(qiáng)力支護(hù)技術(shù)能保障巷道穩(wěn)定性。巷道掘進(jìn)期間，巷道表面位移距工作面56m時(shí)處于穩(wěn)定狀態(tài)，巷道變形發(fā)生在距工作面35～45m處，巷道兩幫最大移進(jìn)量16mm，頂板最大下沉量5mm。鄰近28202工作面回采完畢，兩幫最大移進(jìn)量為435mm，頂板最大下沉量135mm。

（2）28203工作面巷道采用屈服強(qiáng)度500MPa的高強(qiáng)度錨桿錨索支護(hù)，提高護(hù)表構(gòu)件的強(qiáng)度，在錨固區(qū)內(nèi)形成剛度較大預(yù)應(yīng)力承載結(jié)構(gòu)與深部圍巖相連，提高預(yù)應(yīng)力承載結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。錨索施加高預(yù)應(yīng)力和錨桿形成的壓應(yīng)力區(qū)構(gòu)成骨架網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，形成對(duì)圍巖的主動(dòng)支護(hù)。

（3）留設(shè)的煤柱寬度6m，在28202工作面大部分回采后，監(jiān)測(cè)顯示煤柱內(nèi)應(yīng)力增加，易受屈服破壞，為此應(yīng)加強(qiáng)巷道支護(hù)強(qiáng)度，保障圍巖的穩(wěn)定性，減少形變引起的破壞。