團(tuán)柏煤礦孤島工作面大斷面煤巷沿空掘巷技術(shù)應(yīng)用研究

孫永永

（霍州煤電集團(tuán)團(tuán)柏煤礦，山西 霍州 031400）

1 工程概況

團(tuán)柏煤礦的10-3041綜采工作面開采的煤層為石炭系太原組10#煤層，屬于穩(wěn)定可采厚煤層，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，中部和中下部均有夾矸，煤層厚度3.20～4.30m，平均為3.9m，煤層頂?shù)装逄卣饕姳?。工作面位于南三下組煤采區(qū)左翼，西北側(cè)10-3040工作面正在回采，南部和東部均為相鄰采區(qū)的邊界，并且均以回采完畢，故即將進(jìn)入準(zhǔn)備階段的10-3041工作面為孤島工作面。

表1 頂?shù)装逄卣鞅?/p>

該礦的孤島工作面開采時(shí)，留設(shè)的區(qū)段煤柱寬度均在15m以上，雖然能保證巷道的穩(wěn)定，但是造成資源的大量浪費(fèi)，隨著巷道支護(hù)工藝技術(shù)的提升，以留設(shè)區(qū)段小煤柱為代表的沿空掘巷技術(shù)應(yīng)用較為成熟，故現(xiàn)對該工作面進(jìn)行留窄煤柱沿空掘巷工藝進(jìn)行設(shè)計(jì)研究，以獲得更好的經(jīng)濟(jì)效益[1]。

2 區(qū)段煤柱合理寬度的確定

沿空掘巷是指沿著已經(jīng)穩(wěn)定的采空區(qū)邊緣或與采空區(qū)之間留窄煤柱掘進(jìn)巷道。巷道掘進(jìn)時(shí)，相鄰的工作面已經(jīng)開采完畢，采空區(qū)壓力已經(jīng)基本穩(wěn)定，在應(yīng)力降低區(qū)進(jìn)行巷道的開掘，巷道易于維護(hù)。留窄煤柱沿空掘巷最關(guān)鍵的問題就是合理的煤柱寬度，寬度太大，造成資源的浪費(fèi)，煤柱支承壓力屬于支承壓力影響區(qū)，煤柱易片幫形變；寬度偏小則不能有效地密閉采空區(qū)，都會造成適得其反的效果。開展沿空掘巷覆巖破斷特征研究，掌握覆巖破斷結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵參數(shù)，是確定煤柱合理寬度的前提[2～3]。由于相鄰的工作面已經(jīng)回采完畢，采空區(qū)頂板圍巖破碎冒落，老頂破斷形成大的巖塊，相互鉸接形成穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，留窄煤柱巷道周圍巖體的破斷碎裂情況可以簡化為如圖1所示的結(jié)構(gòu)模型。

圖1 沿空掘巷上覆巖層大結(jié)構(gòu)模型

10-3041孤島工作面兩側(cè)均為采空區(qū)，準(zhǔn)備巷道采掘時(shí)保護(hù)煤柱的另一側(cè)為采空區(qū)，相鄰工作面巷道的掘進(jìn)及工作面的回采均會影響煤柱的穩(wěn)定性，在煤柱內(nèi)形成破碎區(qū)和塑性變形區(qū)，窄煤柱的最小寬度要求滿足使巷幫錨桿發(fā)揮其支護(hù)性能，因此窄煤柱應(yīng)當(dāng)保有一定寬度的完整煤巖體，避免煤柱兩側(cè)的破碎區(qū)貫通，使錨桿的作用大大降低。

圖2 合理煤柱寬度計(jì)算模型

煤柱寬度的構(gòu)成如圖2所示。通過對以往窄煤柱沿空掘巷頂板壓力狀況的分析和總結(jié)，在確保巷道圍巖變形量不會太大的前提下，提出應(yīng)用以下公式進(jìn)行煤柱寬度的計(jì)算：

式中：B為窄煤柱的合理寬度，單位：m；xl為上個(gè)工作面采空區(qū)側(cè)煤巖體塑性區(qū)的寬度，單位：m；x2為巷幫錨桿長度，取2～2.4m；x3為動載系數(shù)，按照經(jīng)驗(yàn)?。?.15～0.35）（xl+x2）；

式（1）中的x1計(jì)算公式如下：

式中：m為煤層厚度，2.3m；A為側(cè)向壓力系數(shù)，A=μ/1-μ，其中μ為泊松比，取0.56；φ0為內(nèi)摩擦角，取 49.6°；C0為粘聚力，取 1.90MPa；k 為應(yīng)力集中系數(shù)，取2；γ為覆巖平均容重，取0.25MN/m3；H為埋深，為594m；Px為對煤幫的支護(hù)力，若相鄰工作面巷道支護(hù)已經(jīng)拆除取Px=0，若是錨桿支護(hù)，取0.3；

將團(tuán)柏煤礦10-2041工作面具體的數(shù)據(jù)帶入式（2）可得，上區(qū)段工作面開采在窄煤柱臨空側(cè)產(chǎn)生的塑性區(qū)寬度x1=4.89m，

則煤柱合理寬度：

經(jīng)過以上的分析和計(jì)算，初步認(rèn)定煤柱的寬度應(yīng)該在6.5～9.5m之間，由于10#煤層煤質(zhì)較軟，為了充分保證巷道的穩(wěn)定，綜合考慮圍巖的受力狀況及頂板圍巖的受力特征，煤柱寬度定為10m。

3 10-3041孤島工作面沿空掘巷多層次支護(hù)技術(shù)

10-3041工作面一側(cè)為采區(qū)邊界，工作面軌道巷一側(cè)為邊界煤柱，一側(cè)為實(shí)體煤，邊界保護(hù)煤柱寬度為20m，采用該礦常用的錨網(wǎng)索支護(hù)即可。而10-3041工作面運(yùn)輸巷一側(cè)為窄煤柱，一側(cè)為實(shí)體煤，根據(jù)該工作面巷道圍巖的具體特征，對沿空掘巷巷道的支護(hù)體系進(jìn)行設(shè)計(jì)。

3.1 頂板支護(hù)的加強(qiáng)

根據(jù)團(tuán)柏煤礦10-3041工作面回采巷道頂板的具體條件：頂板跨度大、直接頂強(qiáng)度較低、層間含有較多軟弱夾層等。因此將頂錨桿由原來的φ18×1800mm左旋無縱筋螺紋鋼筋錨桿改進(jìn)為φ22×2200mm左旋無縱筋螺紋鋼筋錨桿，托盤采用規(guī)格為140×250×10mm碟形鋼托盤，配置調(diào)心球墊及減磨墊圈，每排布置6根錨桿，間距和排距均為0.8m，兩側(cè)肩窩處的錨桿向兩側(cè)傾斜布置，與垂直方向的夾角15°，中間的4根錨桿均垂直于巷道頂板，每根使用樹脂錨固劑MSZ23/80一條，預(yù)緊力矩不小于 250N·m，錨桿外露 10-50mm。頂板鋪4200×1200mm由10#鐵絲編織而成的金屬網(wǎng)，兩側(cè)各留100mm與幫網(wǎng)搭接，每隔200mm用14#聯(lián)網(wǎng)絲雙股連接一道，每道不少于3圈，網(wǎng)與網(wǎng)搭接，搭接長度100mm，上3800×80mm的鋼筋托粱，用12#鋼筋焊接而成。錨索選用1×7股高強(qiáng)度低松弛預(yù)應(yīng)力鋼絞線φ21.6×7200mm，采用300×300×16mm碟形托盤，配套調(diào)心球墊及鎖具。每根使用樹脂錨固劑MSCK23/60、MSZ23/80各一支，錨索初始張拉力為40MPa，外露150～250mm。錨索在巷道頂板中間對稱布置兩根，間排距為1600×800mm。

3.2 幫部支護(hù)的調(diào)整

幫部錨桿由原本的φ16×1600mm的圓鋼錨桿調(diào)整為φ22×2200mm的螺紋鋼錨桿，托盤采用規(guī)格150×150×10mm的拱形方托盤，配置調(diào)心球墊及減磨墊圈，每排為5根，中間三根垂直巷幫，上部靠近頂板處的錨桿向上傾斜15°，靠近底板的錨桿水平向下傾斜15°，錨固劑選用MSZ23/80樹脂錨固劑，錨桿間排距由原本的1200×1000mm改為800×800mm。每側(cè)布置兩根錨索，煤柱側(cè)采用17.8×4200mm的礦用錨索，實(shí)體煤側(cè)采用17.8×7200mm的長錨索，每根使用樹脂錨固劑MSCK23/60、MSZ23/80各一支，預(yù)緊力矩不小于150N·m，外露10-50mm。要求上部錨索距頂板600mm，下部錨索距底板1500mm，兩幫均鋪的2000×1200mm的塑料網(wǎng)改為4000×1000mm的菱形金屬網(wǎng)，錨桿鋼筋梯子梁尺寸為2050×70mm。

經(jīng)過加強(qiáng)支護(hù)設(shè)計(jì)后，10-3041工作面運(yùn)輸巷圍巖的支護(hù)結(jié)構(gòu)詳細(xì)情況如圖3所示，在安裝錨索位置處焊接兩段縱筋，在錨桿排距之間鋪設(shè)鋼筋網(wǎng)型號為GW6.5/100-2.3×1.35，防止小塊煤巖體的掉落，在巷道兩個(gè)頂角處錨桿采用斜打頂角錨桿，抑制巷道的形狀扭曲，錨桿、長錨索及短錨索形成連續(xù)的預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)共同承載，最終達(dá)到保證圍巖的長期穩(wěn)定的目的。

圖3 “錨網(wǎng)索梁”聯(lián)合支護(hù)示意圖

4 現(xiàn)場應(yīng)用及效果分析

4.1 沿空掘巷施工過程中頂板離層處理程序、要求、措施

1）每班的頂板監(jiān)測責(zé)任在現(xiàn)場發(fā)現(xiàn)監(jiān)測數(shù)據(jù)異常要及時(shí)向領(lǐng)導(dǎo)匯報(bào)，值班人員及時(shí)向生產(chǎn)技術(shù)科礦壓監(jiān)測組進(jìn)行反饋。

2）在觀測過程中，若發(fā)現(xiàn)離層值進(jìn)入危險(xiǎn)區(qū)內(nèi)時(shí)，應(yīng)由礦總工程師召集有關(guān)科室分析原因，并及時(shí)采取相應(yīng)的安全措施。

3）在觀測過程中，若發(fā)現(xiàn)離層值進(jìn)入警戒區(qū)時(shí)，要停止掘進(jìn)，立即向生產(chǎn)科礦壓監(jiān)測組進(jìn)行匯報(bào)，并對該離層儀前后20m范圍內(nèi)及時(shí)補(bǔ)打錨桿或錨索的措施進(jìn)行加固，同時(shí)及時(shí)與設(shè)計(jì)部門聯(lián)系對錨桿設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行修改。

4）非正常情況時(shí)（如頂板離層達(dá)到警戒位置或班下沉速度異常）必須每班監(jiān)測分析。分析結(jié)果必須經(jīng)生產(chǎn)科長簽字后報(bào)生產(chǎn)礦長、總工程師；并將領(lǐng)導(dǎo)批示及時(shí)報(bào)送安全科、調(diào)度室及施工隊(duì)組主要領(lǐng)導(dǎo)。礦總工程師要組織分析查明原因，及時(shí)采取相應(yīng)措施。

5）區(qū)隊(duì)收到生產(chǎn)科下發(fā)的加強(qiáng)支護(hù)或改變支護(hù)通知單時(shí)，由隊(duì)組生產(chǎn)技術(shù)員根據(jù)分析結(jié)果編制專項(xiàng)安全技術(shù)措施，進(jìn)行加強(qiáng)或補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)。

4.2 支護(hù)效果分析

通過對于合理煤柱寬度的確定及支護(hù)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，在團(tuán)柏塔礦10-3041綜采工作面運(yùn)輸巷，進(jìn)行了留窄煤柱沿空掘巷的現(xiàn)場應(yīng)用實(shí)驗(yàn)，煤柱寬度為10m，采用上述的“錨網(wǎng)索梁”聯(lián)合支護(hù)，為了考察煤柱寬度的合理性及支護(hù)的效果，在10-3041工作面運(yùn)輸巷內(nèi)設(shè)置觀測站對巷道的變形量進(jìn)行觀測，統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果如圖4所示，在距工作面60m范圍內(nèi)兩幫移進(jìn)量增長速度較快，而后兩幫趨于穩(wěn)定，最大移進(jìn)量為240mm，頂?shù)装逑鲁亮考暗装宓坠牧慷急容^小，基本不影響工作面生產(chǎn)的正常進(jìn)行，在現(xiàn)場取得了良好的應(yīng)用效果。

圖4 10-3041運(yùn)輸巷圍巖位移觀測結(jié)果

5 結(jié)論

經(jīng)過理論計(jì)算，確定煤柱寬度為10m，結(jié)合10-3041工作面詳細(xì)地質(zhì)情況，對支護(hù)參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)，在施工過程中，密切監(jiān)測巷道圍巖的穩(wěn)定情況，采取適當(dāng)?shù)慕M織、安全、應(yīng)急等措施，最終成功應(yīng)用了沿空掘巷技術(shù)進(jìn)行團(tuán)柏煤礦孤島工作面的開采，取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益。