青洼煤業(yè)2103工作面留小煤柱沿空掘巷技術(shù)研究與應(yīng)用

劉江華

（晉煤集團(tuán)翼城晟泰青洼煤業(yè)，山西 翼城 043500）

1 工程概況

晉煤集團(tuán)翼城晟泰青洼煤業(yè)2103綜采放頂煤工作面開采2#煤層，容重為1.43t/m3。煤層傾角為8～11°，平均9.5°，煤層厚度為3.85～6.2m，平均厚度4.66m，穩(wěn)定可采。2號(hào)煤層結(jié)構(gòu)較簡單，煤層的實(shí)際埋藏深度為216.4～237.7m。2103工作面直接頂板為粉砂巖，厚4.0m，黑灰色，厚層狀；老頂為泥巖，厚3.25m；直接底為泥巖，厚1.5m，深灰色；老底為粉砂巖，厚7.0m。2103綜放工作面生產(chǎn)系統(tǒng)由21031巷（進(jìn)風(fēng)巷）、2103開切眼、21032巷（回風(fēng)巷）組成。2103工作面位于礦井一盤區(qū)北部，工作面東北部為實(shí)體煤，西北側(cè)為礦井邊界保護(hù)煤柱，西南側(cè)為正在回采的2102工作面，東南側(cè)為一采區(qū)回風(fēng)下山。2102工作面與2101工作面間區(qū)段煤柱寬度為30m。根據(jù)現(xiàn)場應(yīng)用情況表明，巷道圍巖變形量很小。為了提高2#煤層采出率，設(shè)計(jì)減小2103工作面和2102工作面間區(qū)段煤柱的寬度，即設(shè)計(jì)21031巷采用留小煤柱沿空掘巷技術(shù)進(jìn)行施工。本文以21031巷的掘進(jìn)和支護(hù)為工程背景，對(duì)護(hù)巷煤柱的合理寬度及支護(hù)方案進(jìn)行研究分析。

2 煤柱合理寬度研究分析

留小煤柱沿空掘巷通常指護(hù)巷煤柱寬度小于10m的條件下進(jìn)行巷道的掘進(jìn)，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[1-2]：（1）煤柱和巷道圍巖內(nèi)應(yīng)力水平較低的原則；（2）煤柱幫錨桿可錨性原則；（3）預(yù)留巷道變形原則；（4）隔離采空區(qū)的原則；（4）提高工作面采出率的原則。確定沿空掘巷護(hù)巷小煤柱寬度方法主要有工程類比法、數(shù)值模擬分析及理論計(jì)算等方法。根據(jù)青洼煤業(yè)2103工作面具體的地質(zhì)條件，選用理論計(jì)算的方法確定21031巷合理的煤柱寬度。為控制巷道變形、提高工作面采出率，應(yīng)盡可能地減小煤柱寬度。但煤柱過窄時(shí)，煤柱內(nèi)煤體將完全處于破碎狀態(tài)，錨桿錨固效果差，巷道易快速嚴(yán)重變形。綜合考慮以上因素得出合理的最小煤柱寬度B為[3]：

其中：

x1-臨近的2102工作面回采引起21031巷煤柱幫內(nèi)破碎區(qū)的寬度， m；

x2-煤柱幫錨桿有效長度， m；

x3-與煤層厚度的相關(guān)性系數(shù)，通常取0.2（x1+x2），m；

x1的計(jì)算公式為：

式中：

m-巷道高度，21031巷高度為3.4m；

λ-測壓系數(shù)，取0.3；

φ-煤層內(nèi)摩擦角，為30°；

C-煤層內(nèi)聚力，為0.8MPa；

σym-巷道煤柱內(nèi)垂直應(yīng)力；

K-應(yīng)力集中系數(shù)，取2.5；

γ-上覆巖層體積力，取0.025MN/m3；

H-巷道平均埋深，取220m；

Px-臨近工作面回采后原有的錨網(wǎng)支護(hù)系統(tǒng)對(duì)煤柱的水平應(yīng)力，取0。

將以上參數(shù)代入式（2）計(jì)算可得x1=1.89m。x2根據(jù)臨近工作面回采巷道的支護(hù)參數(shù)取2.0m，代入式（1）計(jì)算得B=4.67m。因此可知21031巷合理煤柱寬度為5m。

3 留小煤柱沿空掘巷高強(qiáng)錨網(wǎng)索支護(hù)技術(shù)

對(duì)21031巷進(jìn)行采礦地質(zhì)條件及煤巖物理力學(xué)性能試驗(yàn)研究表明，21031巷兩幫煤樣的堅(jiān)固系數(shù)為0.5879，頂板粉砂巖巖樣的平均單軸抗壓強(qiáng)度為19.69MPa，底板泥巖巖樣的平均單軸抗壓強(qiáng)度為16.34MPa。綜上可以看出21031巷屬于典型“三軟”煤巷，10-102軌道順槽屬于典型的“三軟”煤巷，該條件下巷道圍巖變形控制較困難[4]。21031巷護(hù)巷煤柱由30m大煤柱改為5m小煤柱，巷道受到上區(qū)段采空區(qū)側(cè)向支承壓力及鄰近2102工作面采動(dòng)的影響將更加劇烈。為有效控制圍巖的變形，故應(yīng)提高21031巷支護(hù)的強(qiáng)度。

2102工作面回采巷道采用錨網(wǎng)索支護(hù)技術(shù)。為更加合理地確定21031巷錨網(wǎng)支護(hù)的參數(shù)，類比21021巷原有支護(hù)方案及控制效果，提出以下支護(hù)方案。

方案一（21021巷支護(hù)方案）：21031巷采用矩形斷面，斷面尺寸寬×高=5.6×3.4m，頂板和兩幫錨桿采用Φ20×2000mm左旋高強(qiáng)錨桿，每排14根，其中頂板6根，兩幫各4根，間排距1000×900mm，每根錨桿采用CK2360和Z2388樹脂錨固劑各一卷，頂板靠近肩窩處的錨桿向外側(cè)傾斜15°安裝，兩幫靠近頂角、底角的錨桿安裝時(shí)分別設(shè)置15°的仰角、俯角，其余錨桿均垂直圍巖表面安裝，錨桿安裝時(shí)預(yù)緊力為40kN，扭矩為150N·m，頂板同排錨桿及兩幫同排錨桿間通過H型鋼帶進(jìn)行聯(lián)結(jié)；頂板錨索采用Ф17.8×6200mm的1×7預(yù)應(yīng)力鋼絞線，采用“二二”布置方式，采用W型鋼帶沿巷道軸向連接，間排距為2000×1800mm，采用2條Z2388樹脂錨固劑，安裝預(yù)緊力120kN。巷道表面采用雙層網(wǎng)，內(nèi)外層分別為鋼筋網(wǎng)和塑料網(wǎng)。21031巷支護(hù)斷面如圖1所示。

方案二：錨桿間排距減小為800×800mm，兩幫和頂板各增加一根錨桿，每排共17根錨桿，錨索采用“三花”布置方式，間排距為2200×800mm，其余參數(shù)不變。

方案三：在方案二的基礎(chǔ)上將頂板和實(shí)體煤幫的錨桿長度增大至2400mm，其余參數(shù)不變。

圖1 21031巷支護(hù)斷面

為具體分析青洼煤業(yè)21031巷采用留小煤柱沿空掘巷的可行性，并確定其合理的支護(hù)方案，采用FLAC3D數(shù)值模擬軟件，以21031巷掘進(jìn)為工程背景，研究分析不同支護(hù)方案條件下圍巖的應(yīng)力分布和巷道圍巖的位移情況。模型尺寸長×寬×高=210×300×100m，煤層平均埋深為220m，2102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，模型上方邊界施加5.5MPa的均布載荷。21031巷掘進(jìn)斷面寬×高=5.6×3.4m。模擬方案：首先進(jìn)行2102工作面的開挖，然后在不同支護(hù)條件下進(jìn)行21031巷的開挖和支護(hù)。不同支護(hù)方案條件下，巷道圍巖內(nèi)垂直應(yīng)力分布情況如圖2所示。不同支護(hù)方案條件下，21031巷淺部圍巖均出現(xiàn)一定面積的應(yīng)力降低區(qū)。其中方案一淺部圍巖的應(yīng)力降低區(qū)面積較大，方案三相對(duì)于方案一和方案二巷道淺部圍巖的應(yīng)力降低區(qū)面積較小。由此可知，不同支護(hù)方案能夠顯著影響淺部圍巖內(nèi)的應(yīng)力分布，隨著支護(hù)強(qiáng)度的提高，圍巖的整體性和承載能力明顯上升，方案三支護(hù)效果最為明顯。

圖2 不同煤柱寬度條件下巷道掘進(jìn)圍巖應(yīng)力分布

不同支護(hù)方案條件下，21031巷圍巖變形情況如圖3所示。由圖可知，巷道的變形量隨著圍巖深度的增大逐漸減小，巷道表面的圍巖變形量最大，不同支護(hù)方案條件下圍巖的位移量存在很大差異。支護(hù)方案二相對(duì)于支護(hù)方案一，煤柱幫、頂板、實(shí)體煤幫、底板的位移量分別減小31%、34%、25%、30%；方案三相對(duì)于方案二，煤柱幫、頂板、實(shí)體煤幫、底板的位移量分別減小28%、22%、23%、29%。通過提高支護(hù)強(qiáng)度能夠顯著減小圍巖的位移量，其中支護(hù)方案一支護(hù)強(qiáng)度較低，圍巖的位移量較大，方案三支護(hù)效果最好，圍巖位移量在合理范圍內(nèi)，因此設(shè)計(jì)采用支護(hù)方案三。

圖3 不同支護(hù)方案條件下圍巖位移量

4 現(xiàn)場應(yīng)用效果監(jiān)測

青洼煤業(yè)21031巷掘巷時(shí)與鄰近工作面區(qū)段煤柱寬度為5m，巷道掘進(jìn)期間采用上節(jié)所述的方案三進(jìn)行支護(hù)。為考察其煤柱留設(shè)和支護(hù)方案的合理性，在21031巷掘進(jìn)期間進(jìn)行圍巖位移監(jiān)測，得到圖4所示的結(jié)果。

圖4 21031巷掘進(jìn)期間圍巖位移情況

巷道圍巖在成巷后10d內(nèi)變形速度較快，隨著時(shí)間的增加，圍巖的變形速度逐漸減小，成巷后30d圍巖位移速度趨近于零，頂?shù)装遄畲笠平繛?42mm，煤柱幫內(nèi)移量最大為75mm，實(shí)體煤幫內(nèi)移量最大為62mm，圍巖位移量控制在合理的范圍內(nèi)，圍巖控制效果良好。

5 結(jié)論

為提高青洼煤業(yè)2#煤層的采出率，設(shè)計(jì)在2103工作面進(jìn)行留小煤柱沿空掘巷應(yīng)用試驗(yàn)，確定21031巷護(hù)巷煤柱寬度為5.0m，確定合理的支護(hù)方案。21031巷掘進(jìn)期間圍巖變形量較小，為礦井的安全高效生產(chǎn)提供保障。