趙莊煤礦23101巷位置選擇及支護技術研究

劉 汞

(晉城煤業(yè)集團 趙莊煤業(yè)公司，山西 長治 046600)

1 工程概況

晉煤集團趙莊煤礦是一座年產(chǎn)量為800萬t的現(xiàn)代化礦井，現(xiàn)主要開采3號煤層，煤層厚度1.2～5.25 m，平均4 m，煤層傾角0～8°，平均4°，普氏系數(shù)f=0.4～1.32。2310工作面地面標高為+975.8～+1 011 m，煤層底板標高為+456～+512 m，蓋山厚度468.5～570.4 m。工作面?zhèn)雾敒樯罨疑百|(zhì)泥巖，厚度0.78 m；直接頂為深灰色粉砂巖，厚度6 m，抗壓強度37.6 MPa，泊松比μ=0.26，內(nèi)聚力為6.7 MPa，普氏系數(shù)f=4.0；基本頂為灰色-淺灰色中粒砂巖，厚度14.2 m；直接底為深灰色砂質(zhì)泥巖，厚度1.59 m，抗壓強度31.9 MPa，泊松比μ=0.24，凝聚力為4.2 MPa，普氏系數(shù)f=4.0；基本底為灰色細粒砂巖，厚度1.1 m。2310工作面緊鄰2308工作面，為提高煤炭資源采出率，縮短工作面接替時間，決定在保證巷道圍巖穩(wěn)定的前提下，在2308工作面回采期間進行2310工作面進風巷(23101巷)的掘進施工，23101巷為矩形斷面，凈寬4.5 m，凈高3.5 m，設計施工長度1 443.3 m。本文對合理的護巷煤柱寬度和巷道支護參數(shù)進行研究。

2 23101巷合理護巷煤柱寬度研究

合理護巷煤柱寬度對于沿空巷道圍巖穩(wěn)定具有關鍵作用[1]，為確定23101巷最佳區(qū)段煤柱寬度，運用FLAC3D數(shù)值軟件分析不同煤柱寬度條件下迎回采面掘巷期間圍巖的穩(wěn)定性[2]。為準確模擬23101巷留小煤柱掘巷，按照2310工作面實際地質(zhì)和開采技術條件1∶1建立模型，2308工作面和2310工作面切眼長度均為180 m，為避免邊界效應，工作面邊界距模型邊界應大于20 m，且考慮到區(qū)段煤柱寬度通常為0～30 m，故設計模型X方向長度為430 m，模擬工作面推進長度200 m，模型邊界各留50 m實體煤，設計模型Y軸方向長度為300 m，2310工作面采高為4.1 m，垂直“三帶”高度約為54.5 m，因此設計地層總厚度為70 m，最終模型尺寸長、寬、高分別為430 m、300 m和70 m，見圖1所示。模型四周邊界施加水平方向的位移約束，底部邊界為固定邊界，上部邊界施加等效于同等覆巖載荷的均布應力，埋深取400 m，垂直應力為10 MPa。設計本次模擬2310工作面留設區(qū)段煤柱寬度的備選方案為5～10 m，變化梯度為1.0 m。

圖1 三維數(shù)值模型

各巖層的力學參數(shù)根據(jù)實驗室物理力學實驗結果進行賦值，模型建立及各地層賦值完畢后，首先通過初始平衡得到地應力場，之后進行上區(qū)段2308工作面回采巷道的開挖，然后進行2308工作面回采和23101巷道掘進的模擬開挖，2308工作面在距模型右邊界50 m處開切眼進行回采，每次推進4 m，23101巷在距模型左邊界50 m開口掘進，每次開挖8 m，巷道掘進與工作面回采交替進行，當23101巷掘進迎頭與2308工作面相交時，在2308工作面前方10 m取截面，觀察23101巷圍巖塑性破壞狀態(tài)，整理得到圖2所示結果。

圖2 不同煤柱條件下掘巷圍巖塑性區(qū)分布

由圖2可知，23101巷(模擬結果中右側巷道)掘進期間，區(qū)段煤柱寬度為5.0～6.0 m時，巷道頂?shù)装寮皟蓭途霈F(xiàn)明顯的塑性破壞區(qū)，且煤柱幫全部發(fā)生塑性破壞，實體煤幫塑性破壞深度最大為4.0 m，整體圍巖塑性破壞嚴重，巷道支護較困難；區(qū)段煤柱寬度為7.0 m時，巷道頂板未發(fā)生塑性破壞，實體煤幫塑性破壞深度減小為3.0 m，且底板和煤柱幫巖體塑性破壞范圍也有明顯減小，巷道圍巖穩(wěn)定性明顯提高；當區(qū)段煤柱達到8.0 m及以上，頂板均未發(fā)生塑性破壞，且煤柱幫塑性破壞區(qū)未與23082巷聯(lián)通，煤柱中部存在一定寬度的完整煤巖體，說明此時煤柱具有良好的承載能力，有利于沿空巷道圍巖的整體穩(wěn)定。綜上可知，區(qū)段煤柱為8.0 m最為合理。

3 23101巷支護方案

參照其他礦井的經(jīng)驗[3-4]，確定23101巷采用錨桿、錨索、鋼筋托梁、金屬菱形網(wǎng)聯(lián)合支護方式。具體支護參數(shù)為：頂板采用D18 mm×2 000 mm高強度左旋無縱筋螺紋鋼錨桿，每排4根，間距1 300 mm，排距1 000 mm，緊靠巷幫的錨桿距幫300 mm，并向巷道外側傾斜15°布置，錨桿錨固力不小于100 kN，預緊力矩不小于250 N·m；錨索采用D15.24 mm×L4 300 mm的高強度低松弛預應力鋼絞線，間排距為2 500 mm×3 000 mm，采用三支樹脂錨固劑加長錨固，一支MSK2335，兩支MSZ2360，設計錨固長度1 970 mm。兩幫采用D18 mm×1 800 mm的螺紋鋼錨桿，每排4根，間距1 000 mm，排距1 000 mm，最上一根距頂板250 mm，最下一根距底板250 mm，與垂直方向成15°安裝，錨固力不小于100 kN，預緊力矩不小于60 N·m，所有錨桿錨固劑為一支MSK2335和一支MSZ2360樹脂藥卷。巷道表面采用10號鐵絲編制而成的金屬菱形網(wǎng)，網(wǎng)格為50 mm×50 mm。鋼筋托梁采用D14 mm的鋼筋焊接而成，寬度為80 mm，頂鋼筋托梁長度為4.3 m，四孔，幫鋼筋托梁長度為3.3 m，四孔。23101巷支護示意如圖3所示。

圖3 23101巷支護方案(mm)

4 現(xiàn)場應用效果

23101巷區(qū)段煤柱寬度留設8.0 m，采用上述支護方式，為考察煤柱留設寬度及支護方式的合理性，采用“十字布點法”對23101巷掘進期間及2310工作面回采期間巷道表面變形量進行了觀測，觀測結果如圖4和圖5所示。

圖5 工作面回采期間巷道表面位移變化規(guī)律

圖4 掘進期間巷道表面位移變化規(guī)律

由圖4可以看出，成巷后巷道表面位移量穩(wěn)步增大，滯后迎頭處約100 m，巷道表面位移量趨于穩(wěn)定，頂板下沉量最大為13 mm，底板底鼓量最大為59 mm，頂?shù)装逑鄬σ平孔畲鬄?2 mm；煤柱幫內(nèi)移量最大為51 mm，實體煤幫內(nèi)移量最大為36 mm，兩幫相對移近量最大為87 mm，巷道表面位移量很小，圍巖整體穩(wěn)定。

由圖5可以看出，直至工作面回采至測點附近，頂?shù)装逑鄬σ平考s為228 mm，兩幫相對移近量約為257 mm，巷道表面位移量在合理范圍內(nèi)，能夠滿足工作面正常生產(chǎn)的斷面需求。

5 結 語

根據(jù)趙莊煤礦2310工作面實際地質(zhì)條件，確定了沿空掘巷護巷煤柱最佳寬度和巷道支護方案，通過現(xiàn)場應用監(jiān)測，巷道表面位移量在合理范圍內(nèi)，取得了良好效果，保障了工作面的安全生產(chǎn)。