沿空巷道煤柱留設(shè)和圍巖控制技術(shù)

宋小科

(潞安環(huán)能股份公司常村煤礦，山西 長治 046102)

煤礦開采時(shí)采煤工作面之間需留設(shè)一定的護(hù)巷煤柱，煤柱的尺寸直接關(guān)系到對(duì)上覆巖層的承載能力問題，若煤柱留設(shè)不合理，上覆巖層帶來的較大的垂直應(yīng)力會(huì)導(dǎo)致巷道變形嚴(yán)重，影響正常的生產(chǎn)。同時(shí)，當(dāng)巷道開始掘進(jìn)時(shí)，煤層的受力狀態(tài)由三向轉(zhuǎn)化成兩向受力，圍巖的應(yīng)力重新分布。故及時(shí)增加支護(hù)有利于巷道保持穩(wěn)定，合理化的支護(hù)方案可避免二次返修巷道，達(dá)到節(jié)約成本的要求。通過提高圍巖強(qiáng)度、錨桿索預(yù)緊力從而達(dá)到承載上覆巖層結(jié)構(gòu)，有效解決了巷道變形嚴(yán)重的問題。大多數(shù)煤礦在厚煤層中采用了沿空掘巷技術(shù)，巷道布置在應(yīng)力減低區(qū)域。

1 概況

西山煤電官地礦礦井埋深平均為552m，為低灰、低硫、高熱不粘煤?？刹擅簩訛?#煤，煤厚4.31～7.01m，平均6m，屬較穩(wěn)定的煤層。8#煤的直接頂為泥巖、細(xì)砂巖，底板為泥巖、細(xì)砂巖，穩(wěn)固性差。煤層頂?shù)装蹇箟簭?qiáng)度在20～30MPa左右。8221工作面兩條巷道斷面：4m ×3.5m，為矩形巷道。之前8219和8217回采工作面間留設(shè)18m的寬煤柱，但接續(xù)面巷道變形嚴(yán)重，且煤炭資源浪費(fèi)較大。

2 窄煤柱尺寸計(jì)算

工作面基本頂斷裂傳遞給側(cè)向支承壓力，按照傳遞巖梁理論可分為“內(nèi)應(yīng)力場(chǎng)”和“外應(yīng)力場(chǎng)”。內(nèi)應(yīng)力場(chǎng)煤體承受基本頂?shù)闹亓?，處于低?yīng)力狀態(tài)，利于巷道布置。隨著工作面的不斷推進(jìn)，受采動(dòng)影響和基本頂自重，巷道側(cè)幫的直接頂和煤體壓縮、變形，外應(yīng)力場(chǎng)承受上覆巖層的總重量。其中內(nèi)應(yīng)力場(chǎng)的分布為：

式中：

L-面長，151m；

M-基本頂厚度，9.0m；

Mz-直接頂厚度，7.5m；

h-煤層厚度，8.0m；

γ-巖層容重，25kN/m3；

E-煤體彈性模量，2.41GPa；

μ-泊松比，0.25；

Kc-煤巖碎脹系數(shù)，1.2；

C-初次來壓步距，50.3m；

L0-周期來壓步距，8.2～15.6m；

β-煤體發(fā)育影響系數(shù)，0.8。

將以上參數(shù)代入式（1），得到內(nèi)應(yīng)力場(chǎng)范圍S1為3.28～4.52m，即基本頂斷裂位置距煤壁3.28～4.52m?？紤]錨桿的錨固作用，煤柱寬度至少留設(shè)5m。

3 數(shù)值模擬

圖1 工作面回采FLAC3D模型

采用FLAC3D數(shù)值模擬軟件進(jìn)行計(jì)算分析，模型采用Mohr-Coulomb本構(gòu)模型，相關(guān)的巖石力學(xué)參數(shù)見表1。對(duì)常規(guī)綜放開采和錯(cuò)層位外錯(cuò)式采煤方法進(jìn)行模擬。采用模擬模型尺寸：長250m，寬300m，高68m，巷道斷面4.5m×3m。煤層埋深552m，容重取25kN/m3。限制模型底面和前后、左右的位移，頂部為自由面，施加13.8MPa垂直應(yīng)力（見圖1）。分別比較3m、4m、5m、6m、7m的煤柱留設(shè)方案。本文僅列出最優(yōu)方案：5m煤柱沿空巷道垂直應(yīng)力等值線圖（見圖2）。

圖2 5m煤柱沿空巷道垂直應(yīng)力等值線圖

由五種煤柱留設(shè)方案數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果可知：5m煤柱時(shí)，沿空巷道窄煤柱一側(cè)應(yīng)力峰值12MPa，應(yīng)力集中系數(shù)為2，但巷道實(shí)體煤側(cè)應(yīng)力峰值為10MPa，煤柱周圍圍巖壓力較大，類似于“駝峰”侵入煤柱，會(huì)對(duì)煤柱造成較小破壞，和其他方案相比，煤柱所受的力小于原巖應(yīng)力。

表1 巖石力學(xué)參數(shù)

4 聯(lián)合支護(hù)技術(shù)

厚煤層巷道采用“錨噴網(wǎng)+錨索”的聯(lián)合支護(hù)，真正的意義是巷道頂板錨桿拱在錨索的錨固力作用下懸吊在上覆巖層。

4.1 優(yōu)化巷道支護(hù)方案

運(yùn)輸巷和回風(fēng)斷面為矩形，規(guī)格為：寬×高=4500×3000mm。支護(hù)采用“錨、網(wǎng)、索、鋼帶”支護(hù)，頂錨桿采用Φ22×2400mm的左旋無縱筋螺紋鋼高強(qiáng)度錨桿，間排距為700×900mm，每排7根頂錨桿；錨索采用Φ17.8×8000mm的七芯鋼絞線，間排距為1500×2000mm，每排2根錨索。幫錨桿采用Φ20×2400mm的右旋無縱筋螺紋鋼錨桿，間排距為800×900mm，每排4根幫錨桿；錨索采用Φ17.8×3000mm的七芯鋼絞線，間排距為1500×2000mm，左右巷道幫每排1根錨索。巷道頂部安設(shè)鋼帶，規(guī)格為Φ12×4600mm，排距為900mm（見圖3）。

圖3 巷道支護(hù)方案

4.2 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果

對(duì)回采巷道進(jìn)行巷道頂?shù)装?、兩幫變形量監(jiān)測(cè)后可知，頂?shù)装遄畲笠平繛?20mm，兩幫最大移近量為155mm，直至距工作面70m變形量才逐步減少。整體巷道變化幅度不大，利于巷道維護(hù)。較原支護(hù)方案頂?shù)装逦灰屏繙p少55mm，兩幫移近量減少63mm（見圖4）。

5 結(jié)論

通過理論分析計(jì)算和FLAC3D模擬得出留設(shè)5m煤柱最為合理，優(yōu)化巷道支護(hù)參數(shù)后監(jiān)測(cè)巷道的變形量，較之前的支護(hù)方案有明顯提升。對(duì)礦井生產(chǎn)、煤炭回收率及采掘接續(xù)都有較好的效益。

圖4 優(yōu)化后巷道圍巖變形量