挖金灣礦8102 工作面沿空掘巷煤柱尺寸優(yōu)化及支護研究

楊 海 峰

（同煤礦集團挖金灣煤業(yè)有限責(zé)任公司，山西 大同037042）

1 工程概況

挖金灣煤礦是同煤集團旗下的一個生產(chǎn)礦井，現(xiàn)階段主采8#煤層，工作面開采標(biāo)高+1050m～+650m，平均埋深350m，8# 煤層總厚2.23 ～3.85m，平均3.27m，煤層中含2～3 層夾石，厚度為0.05～0.50m，根據(jù)實際揭露資料顯示煤層傾角2.1～7.4°，平均5.0°。8#煤層直接頂為平均厚度1.5m 的K2 灰?guī)r，基本頂為均厚5.2m 的粗砂巖，K2 灰?guī)r自然抗壓強度為泥巖6.8～9.5MPa，為堅硬巖層；8#煤層直接底為3～5m 的砂質(zhì)泥巖。挖金灣煤業(yè)8#煤層北一盤區(qū)的8101 首采工作面正在進行回采，其相鄰的8102 工作面即將進入準(zhǔn)備階段，8102 綜采工作面位于礦井一盤區(qū)北部，北側(cè)與正在回采的8101 工作面相鄰，南鄰尚未開拓，西部與一盤區(qū)回風(fēng)巷、運輸巷相鄰，東部尚未開拓。地面位置位于秦家山村東北部，相對地表無房屋及其它建筑。挖金灣煤業(yè)原有工作面設(shè)計區(qū)段煤柱為30m，由于目前沿空掘巷技術(shù)的成熟，且8#煤層直接頂為堅硬巖層，采空區(qū)側(cè)向可能出現(xiàn)較長的懸頂，巷道掘進引起堅硬巖層的破斷，很可能會引起巷道圍巖的失穩(wěn)，因此設(shè)計8#煤層改為留小煤柱沿空掘巷進行開采。本文以挖金灣煤業(yè)8102 工作面回采巷道掘進和支護為工程背景，對沿空掘巷開采方式的可行性進行分析，并設(shè)計合理的巷道支護形式。

圖1 8102 工作面采掘工程平面圖

2 煤柱合理寬度研究分析

2.1 沿空掘巷煤柱留設(shè)原則

查閱相關(guān)的研究成果[1]，隨著與鄰近采空邊緣距離的變化，煤巖體內(nèi)垂直方向支承應(yīng)力的變化曲線如圖2 所示，一定范圍內(nèi)形成壓力降低區(qū)和壓力升高區(qū)，不同位置的巷道圍巖內(nèi)應(yīng)力大小差別很大，巷道一般需要布置在應(yīng)力降低區(qū)內(nèi)，為了避免將回采巷道布置在應(yīng)力高峰值下，工作面回采巷道掘進時有兩種方式，一是將巷道布置在距離采空區(qū)邊緣較遠的區(qū)域，該區(qū)域的煤巖體內(nèi)的應(yīng)力更接近原巖應(yīng)力，巷道圍巖易于維護，但是該區(qū)域往往要求區(qū)段煤柱達到30m 以上，將大量的煤炭資源遺留在采空區(qū)內(nèi)，大大降低了資源的利用率；二是將巷道布置在靠近采空區(qū)邊緣的應(yīng)力降低區(qū)內(nèi)，此時煤柱尺寸相對于第一種情況小很多，能夠有效的提高煤炭資源采出率，但是由于煤柱寬度較小，易面臨煤柱漏風(fēng)、采空區(qū)瓦斯在煤柱側(cè)溢出的問題。為提高礦井的經(jīng)濟效益，應(yīng)盡量采用留小煤柱沿空掘巷技術(shù)，挖金灣煤業(yè)8#煤層瓦斯含量較低，不存在通風(fēng)的問題，且巷道直接頂為堅硬的巖層，因此可采用沿空留巷技術(shù)。

圖2 巷道煤柱留設(shè)方法

2.2 沿空巷道受力數(shù)值模擬與煤柱尺寸優(yōu)化

為詳細了解挖金灣煤礦8102 工作面準(zhǔn)備期間，8102 運輸順槽煤柱寬度大小對于其圍巖穩(wěn)定性的影響，采用FLAC3D 數(shù)值模擬軟件[2～3]，以該礦8102 運輸順槽掘進為工程背景，研究分析不同煤柱寬度條件下巷道圍巖的穩(wěn)定情況[1～2]。8#煤層煤巖體采用摩爾——庫倫本構(gòu)模型，模型尺寸長×寬×高=210×300×82.5m，8101 工作面采高3.2m，平均埋深為350m，8101 工作面采空區(qū)采用一次性換充填材料模擬采空區(qū)冒落矸石[1]，數(shù)值模擬模型如圖2（a）所示。模型位移邊界條件如圖2（b）所示：模型前后、左右邊界法向位移受到約束，底面為固定邊界，上部為自由邊界，基于上方邊界施加7.25MPa 的等效載荷。8102運輸順槽斷面尺寸寬×高=4.5×3.5m，模擬方案：8102 運輸順槽與8101 工作面煤柱的寬度分別為10、12、14、16、18m，在不同煤柱寬度條件下模擬8102 運輸順槽的掘進，觀察煤柱內(nèi)應(yīng)力的分布規(guī)律和巷道圍巖的穩(wěn)定性。

圖3 數(shù)值模型示意圖

由于篇幅所限，并且模擬結(jié)果表明，不同煤柱寬度條件下煤柱內(nèi)的垂直應(yīng)力和煤柱幫位移變化最為顯著，所以在圖4 中僅給給出煤柱內(nèi)垂直應(yīng)力和煤柱幫位移的變化曲線。由圖4（a）可以看出，當(dāng)煤柱寬度小于12m 時，8102 運輸順槽掘進后，煤柱內(nèi)的垂直應(yīng)力呈單峰分布，并且應(yīng)力峰值較大；當(dāng)煤柱寬度增大到14m 以上時，煤柱內(nèi)垂直應(yīng)力變化曲線開始呈雙峰式，并且應(yīng)力峰值也相對減小，說明煤柱內(nèi)開始存在一定寬度的彈性核區(qū)，煤柱具有較好的支承能力；煤柱寬度繼續(xù)增大到16m 后，煤柱內(nèi)垂直應(yīng)力峰值基本未發(fā)生變化；綜上可知，當(dāng)煤柱寬度為14～16m時，垂直應(yīng)力在煤柱中分布較合理，煤柱支承能力較好，巷道不易發(fā)生過大的變形。根據(jù)圖4（b）所示的結(jié)果可以看出，隨著煤柱寬度的增大，煤柱側(cè)巷幫的變形量逐漸減小，煤柱由10m 增加到14m 時，煤壁位移量減小最為顯著；煤柱寬度繼續(xù)增大，巷幫的位移量減小并不明顯。綜上分析，并考慮經(jīng)濟效益等多方面的因素確定8102 運輸順槽側(cè)煤柱寬度為14m。

圖4 不同煤柱尺寸條件下模擬結(jié)果

3 沿空掘巷支護技術(shù)

挖金灣8#煤層直接頂為厚度1.5m 左右的堅硬巖層，參考相關(guān)的研究成果[4]，設(shè)計采用“錨網(wǎng)索”進行8102 運輸順槽的支護，頂板錨桿采用Ф18×2000mm的高強左螺旋錨桿，錨固劑采用一條K2335 和一條Z2396 樹脂錨固劑，頂板錨桿間排距為1300×1000mm，頂板靠近巷幫的兩排錨桿向巷道外側(cè)傾斜15°安裝，鋼帶采用由直徑12mm 的光圓鋼筋加工而成的梯形鋼帶，鋼帶規(guī)格為4700×75mm。兩幫錨桿采用Ф16×1800mm，間排距為1000×1000mm，靠近頂角和底角的錨桿分別向上和向下傾斜15°，靠近巷道腰線的兩根沿水平方向垂直煤壁安裝。錨索采用Ф15.24×4300mm 的鋼絞線，距頂板中心線1250mm對稱安裝兩個錨索，間排距為2500×3000mm，錨固劑為孔底用K2355 一支，孔口用一支CK2355，安裝時施加不小于80kN 的預(yù)應(yīng)力。頂板采用網(wǎng)格為50mm的礦用鍍鋅菱形金屬網(wǎng)護表，網(wǎng)片尺寸為長×寬=4700×1100mm，兩幫采用網(wǎng)格為50mm 的礦用格賓網(wǎng)護表，網(wǎng)片尺寸長×寬=3700×1100 mm。8102 運輸順槽支護方案如圖5 所示。

圖5 8102 運輸順槽支護方案

圖6 8102 運輸順槽圍巖變形規(guī)律

4 現(xiàn)場應(yīng)用效果監(jiān)測

挖金灣煤業(yè)8102 運輸順槽與8101 工作面區(qū)段煤柱寬度為14m，采用上述的支護方式，為考察其煤柱留設(shè)和支護方案的合理性，在8102 運輸順槽掘進期間進行現(xiàn)場監(jiān)測，監(jiān)測結(jié)果整理后如圖6 所示，由圖可知，8102 運輸順槽巷道掘進時，圍巖變形集中在成巷30 天內(nèi)，底板底鼓量大于其頂板下沉量，頂板下沉量最大達32mm，底板底鼓量最大為60mm，實體煤側(cè)最大變形量為65mm，煤柱側(cè)最大變形量為85mm，總體來說，8102 運輸順槽掘進期間圍巖變形量較小，圍巖變形得到了有效的控制，證明14m 煤柱及支護方案下，8102 運輸順槽圍巖控制效果良好。

5 結(jié) 論

為提高挖金灣煤礦資源利用率，設(shè)計采用留窄煤柱沿空掘巷技術(shù)進行8#煤層的回采，根據(jù)挖金灣煤礦8102 工作面具體的地質(zhì)條件，通過理論分析及數(shù)值模擬分析得知，8102 運輸順槽保護煤柱寬度為14m 較合理，設(shè)計采用“錨網(wǎng)索”支護方式對8102 運輸順槽進行支護，現(xiàn)場應(yīng)用后進行圍巖位移量觀測8102 運輸順槽掘進期間，頂板下沉量最大達32mm，底板底鼓量最大為60mm，實體煤側(cè)最大變形量為65mm，煤柱側(cè)最大變形量為85mm，總體來說，8102運輸順槽掘進期間圍巖變形量較小，圍巖變形得到了有效的控制，所確定的煤柱寬度和支護方式取得了良好的應(yīng)用效果。