木瓜煤礦“三軟”煤巷小煤柱沿空掘巷技術(shù)應(yīng)用研究

張 磊

（霍州煤電集團(tuán)呂梁山煤電有限公司木瓜煤礦，山西 方山 033100）

1 工程概況

呂梁山煤電有限公司木瓜煤礦目前主采的10#煤層為復(fù)雜結(jié)構(gòu)煤層，傾角4°～8°，平均6°，煤層厚2.3～3.4m，平均厚2.95m，煤巖類型為半亮型焦煤。目前，10#煤層首采區(qū)的第二個(gè)工作面即將進(jìn)入準(zhǔn)備階段。10-102工作面蓋山厚度+227～+424m，地面標(biāo)高+1225～ +1335m，工作面標(biāo)高+927～ +988m。10-102工作面地面位于木瓜村西南方向黃土丘陵下方，上部地表以侵蝕性黃土梁峁為主；井下位于一采區(qū)準(zhǔn)備巷道左翼，工作面北部與即將回采完畢的10-101工作面相鄰，工作面以東為實(shí)體煤，以南為南區(qū)實(shí)體煤，緊鄰一采區(qū)邊界。10-102軌道順槽緊鄰10-101，沿10#煤層頂板掘進(jìn)，其頂?shù)装鍘r性特征如表1所示。為提高煤炭資源的采出率，10-102軌道順槽設(shè)計(jì)采用留小煤柱沿空掘巷技術(shù)，但依據(jù)礦方提供的煤巖體物力力學(xué)實(shí)驗(yàn)室測(cè)定的10#煤堅(jiān)固系數(shù)為0.6135，頂板抗壓強(qiáng)度17.23MPa，底板抗壓強(qiáng)度15.69MPa，10-102軌道順槽屬于典型的“三軟”煤巷，巷道掘進(jìn)過程中支護(hù)較困難。為確定留小煤柱沿空掘巷技術(shù)的可行性和合理的煤柱寬度，展開了相關(guān)的研究。

表1 10#煤頂?shù)装鍘r性特征表

2 合理煤柱寬度的初步確定

查閱相關(guān)的研究成果獲知，工作面回采巷道采用護(hù)巷小煤柱和錨網(wǎng)索聯(lián)合支護(hù)時(shí)，煤柱寬度和巷道圍巖變形量的關(guān)系為[1]：

其中：

u-巷道圍巖位移收斂量，mm；

B0-煤柱寬度最小值，m；

u0-單一巷道掘進(jìn)時(shí)圍巖變形量，mm；

k1、λ-待定系數(shù)，單位：1；

x-護(hù)巷煤柱寬度，m；

K-煤柱穩(wěn)定性系數(shù)，一般為0.2～0.33。

由此可知，小煤柱護(hù)巷條件下，巷道圍巖的收斂量和煤柱寬度間的關(guān)系較復(fù)雜，并不是簡(jiǎn)單的線性關(guān)系。巷道變形量在不同的圍巖性質(zhì)條件下差異也非常大，根據(jù)康紅普教授等相關(guān)人員的研究成果，沿空掘巷的頂?shù)装逡平屎兔褐鶎挾鹊年P(guān)系如圖1所示。對(duì)于軟巖和中硬巖條件下，煤柱寬度在20m范圍內(nèi)時(shí)，沿空巷道圍巖的變形量變化明顯。10-102軌道順槽屬于典型的“三軟”煤巷，圍巖位移量對(duì)煤柱寬度的變化更為敏感。當(dāng)煤柱寬度為10m左右，巷道頂?shù)装逡平窟_(dá)到最大，之后煤柱寬度增大，頂?shù)装逡平什粩鄿p小，通常情況下，當(dāng)護(hù)巷煤柱寬度小于10m條件下，稱為小煤柱沿空掘巷。依據(jù)現(xiàn)有的研究成果，工作面回采巷道采用護(hù)巷小煤柱和錨網(wǎng)索聯(lián)合支護(hù)時(shí)，合理煤柱寬度的確定主要依據(jù)以下原則[2]：煤柱和巷道應(yīng)力水平較低的原則；錨桿能夠有效地錨固圍巖的原則；滿足隔離臨近采空區(qū)的原則；盡可能提高工作面采出率的原則。綜合以上分析及原則，初步確定10-102軌道順槽沿空掘巷煤柱寬度為3～8m。

圖1 巷道頂?shù)滓平颗c護(hù)巷煤柱寬度間的關(guān)系

3 “三軟”煤巷沿空掘巷合理煤柱寬度數(shù)值模擬

3.1 10-102軌道順槽支護(hù)方案

10-102軌道順槽為矩形斷面，巷道掘進(jìn)凈寬為5600mm，高度為3400mm，采用錨網(wǎng)索聯(lián)合支護(hù)。錨桿采用Φ20×2000mm螺紋鋼錨桿，每排頂?shù)缀蛢蓭凸?4根，間排距為1000×900mm，錨桿間通過H型鋼帶橫向連接，每根錨桿采用MSZ2335和MSCK2360樹脂錨固劑各一卷，預(yù)緊力為40kN 。頂板錨索采用Φ17.8×6200mm預(yù)應(yīng)力鋼絞線，每排2根，采用“二0二”布置，間排距為2000×1800mm。巷道圍巖采用雙層網(wǎng)護(hù)表，內(nèi)外層分別為鋼筋網(wǎng)和塑料網(wǎng)，網(wǎng)片間搭接距離為100mm。10-102軌道順槽支護(hù)詳情如圖2所示。

圖2 10-102軌道順槽錨網(wǎng)索支護(hù)斷面

3.2 合理煤柱寬度模擬分析

根據(jù)10-102軌道順槽具體的采礦地質(zhì)條件，為研究其采用小煤柱護(hù)巷的可行性及合理的煤柱寬度，利用FLAC3D數(shù)值模擬軟件進(jìn)行研究分析[3-4]。模型由左向右分別為10-101采空區(qū)、護(hù)巷煤柱、10-102軌道順槽，模型尺寸（長(zhǎng)寬高）為210×80×92m。模型上部邊界施加5.5MPa的均布載荷，模型底部為固定邊界，四周邊界水平位移被約束，測(cè)壓系數(shù)取0.8。模擬計(jì)算過程中煤巖體服從摩爾—庫倫屈服準(zhǔn)則。數(shù)值模型及邊界條件如圖3所示。

圖3 數(shù)值模型示意圖

為分析不同護(hù)巷煤柱寬度條件下，10-102軌道順槽圍巖的穩(wěn)定性，數(shù)值模擬開挖步驟為：建立模型—初始地應(yīng)力場(chǎng)平衡—10-101工作面回采—10-102軌道順槽開挖和支護(hù)—10-102工作面回采。分別進(jìn)行留設(shè)10-102軌道順槽護(hù)巷煤柱寬度為3m、4m、5m、6m、7m、8m的數(shù)值模擬計(jì)算，比較10-102軌道順槽掘進(jìn)和10-102工作面回采期間其圍巖的變形量。首先得到10-102軌道順槽掘進(jìn)期間其圍巖位移量和煤柱寬度的關(guān)系如圖4所示。

圖4 掘巷期間不同煤柱寬度條件下圍巖位移曲線

由圖4所示結(jié)果可知，煤柱寬度由3m增大到8m，護(hù)巷煤柱側(cè)的10-102軌道順槽煤幫位移量由42mm增大至205m，頂板下沉量由370mm增大至447mm，10-102實(shí)體煤側(cè)的煤幫變形量由187mm減小為162mm。由此可知，隨著護(hù)巷煤柱寬度的增大，煤柱的承載能力提升，由于煤柱內(nèi)的能量通常通過其變形釋放，因此導(dǎo)致巷道煤柱側(cè)和頂板的圍巖量逐漸增大。當(dāng)煤柱寬度在3～5m間變化時(shí)，頂板下沉量增大明顯，煤柱寬度由5m增大至8m，頂板下沉量基本不變。由此可知，煤柱寬度達(dá)到5m后繼續(xù)增大，其對(duì)于頂板的支撐能力基本不再變化，因此可初步設(shè)計(jì)護(hù)巷煤柱為5m。

圖5 回采過程中不同寬度煤柱圍巖位移曲線

10-102工作面回采期間，10-102軌道順槽圍巖位移量與煤柱寬度的關(guān)系如圖5所示。煤柱寬度由3m增大至8m，煤柱幫位移量由46mm增大至307mm，頂板下沉量由652mm增大至928mm，實(shí)體煤幫的位移量在400～500mm間交替變化；當(dāng)煤柱寬度為5m左右時(shí)，煤柱內(nèi)應(yīng)力水平較低，易于巷道的支護(hù)穩(wěn)定，因此煤柱寬度為5.0m較合理。綜上分析可知，10-102軌道順槽采用小煤柱護(hù)巷技術(shù)可行，煤柱寬度為5m最為合理。

4 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果

為考察木瓜煤礦10-102軌道順槽采用5m小煤柱護(hù)巷沿空掘巷技術(shù)的效果，掘巷期間布置圍巖位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)，整理后得到如圖6所示的結(jié)果。由圖可知，對(duì)10-102軌道順槽圍巖位移監(jiān)測(cè)的30d內(nèi)，成巷后的前10d內(nèi)圍巖位移增大明顯，之后圍巖變形量基本穩(wěn)定不變，最終頂?shù)装逡平孔畲笾导s為87mm，兩幫移近量最大值約為148mm，成巷10d后圍巖位移速度為零?？芍?，10-102軌道順槽采用5m小煤柱沿空掘巷具有良好的圍巖控制效果。

圖6 10-102軌道順槽掘巷期間圍巖位移規(guī)律

5 結(jié)論

10-102軌道順槽“三軟”煤巷初步確定護(hù)巷煤柱寬度為3～8m，采用FLAC3D進(jìn)行數(shù)值模擬分析，確定煤柱寬度為5.0m。掘巷期間圍巖位移監(jiān)測(cè)結(jié)果表明，頂?shù)装逡平孔畲笾导s為87mm，兩幫移近量最大值約為148mm。10-102軌道順槽位移量有效的控制在合理的范圍內(nèi)，取得良好的效果。