側(cè)向支承應力作用下6.0m小煤柱巷道加固技術(shù)研究

于 斌，姚強嶺，王少卿，夏 澤

(1.大同煤礦集團有限責任公司，山西 大同 037003；2.中國礦業(yè)大學 礦業(yè)工程學院，江蘇 徐州 221116)

回采巷道是服務于井工煤礦正常生產(chǎn)和安全的重要通道，井工煤礦長壁工作面回采期間的生產(chǎn)進度和生產(chǎn)安全在很大程度上取決于工作面回采過程中回采巷道的圍巖穩(wěn)定性，并且回采巷道的護巷煤柱的留設尺寸與采區(qū)內(nèi)煤炭資源的資源回收率有很大的聯(lián)系[1-4]。維護回采巷道圍巖穩(wěn)定性所需的傳統(tǒng)礦壓理念下的護巷煤柱尺寸不斷增大，尤其是煤厚超過5m或走向長度超過1000m的工作面，留設大型煤柱在一定程度上造成了極大的資源浪費。為了提高采區(qū)煤炭資源的采出收率，留設小煤柱成為當下發(fā)展的趨勢[5-8]。小煤柱在周圍巷道掘進完成后進入高應力二向應力狀態(tài)，使煤柱煤體發(fā)生破壞。隨著兩側(cè)工作面的先后回采，工作面開采導致的動壓影響將促使煤體進一步破壞，造成煤柱錨桿錨索受力較大，甚至發(fā)生破斷，從而使支護失效，引發(fā)事故，嚴重影響了煤礦的安全生產(chǎn)形勢，很大程度上制約了安全高效煤礦的常態(tài)化建設[9，10]。

因此，有必要對小煤柱巷道應力分布及加固技術(shù)研究進行研究。Li等[11]針對兩個小煤柱應用實例，建立了經(jīng)過嚴格標定的數(shù)值計算模型，對小煤柱的垂直應力演化進行了研究；文獻[5，12，13]通過數(shù)值計算方法，研究了不同尺寸護巷煤柱寬度對工作面推進過程中回采巷道圍巖應力時空演化和變形破壞規(guī)律的影響，總結(jié)概括了回采巷道護巷小煤柱評價、設計方法；陳金宇等[14]通過FLAC3D模擬研究了護巷煤柱在復雜應力環(huán)境下的應力演化規(guī)律，提出了煤柱加固方案；馮偉等[9]采用預應力對穿錨索加固回采巷道護巷小煤柱，使工作面回采期間巷道小煤柱幫的圍巖變形得到了有效控制，保證了回采巷道在服務期間的穩(wěn)定性要求；楊竹軍[15]針對厚煤層留設小煤柱條件下的巷道支護技術(shù)難題，采用理論分析和數(shù)值模擬的方案，對頂板超前鉆孔形成預裂切縫技術(shù)進行了研究，采用非爆破的方式實現(xiàn)基本頂斷裂位態(tài)的主動控制，優(yōu)化巷道頂板承載結(jié)構(gòu)，有效降低覆巖關(guān)鍵塊對煤柱的附加載荷，進而確保巷道穩(wěn)定性；張文彬[16]研究了綜采工作面小煤柱注漿加固工藝及效果，研究表明通過注漿加固小煤柱能夠保持回采巷道的穩(wěn)定，滿足安全生產(chǎn)的需要；代進等[17]基于采煤工作面上覆巖層運動規(guī)律和砌體梁平衡理論，分析了大采高工作面小煤柱沿空巷道上覆關(guān)鍵層頂板斷塊下沉運動特征，探討了大采高條件下沿空巷道圍巖的破壞特點和工程可支護性能，提出了針對沿空巷道不同部位的圍巖應采用不同的支護機理和支護參數(shù)，并在濟三煤礦53下12工作面進行了試驗，確保了巷道的安全使用，同時也取得了較好的經(jīng)濟效益。

結(jié)合山西省大同市塔山煤礦三盤區(qū)8311與8312工作面實際的工程地質(zhì)條件和采掘空間布局實際情況，建立了FLAC3D有限差分數(shù)值計算模型模擬研究了小煤柱巷道應力分布規(guī)律，并在現(xiàn)場實測通過對穿錨索復原小煤柱的三向約束應力狀態(tài)，有效地提高了小煤柱的承載能力。

1 工程概況

塔山三盤區(qū)8311工作面主采山4#煤層，工作面巖層情況如圖1所示。

圖1 8311、8312工作面巖層柱狀圖

8311工作面與8312工作面布置如圖2所示。2312巷內(nèi)原加強支護整體性較差?；夭蛇^程中，由于8311工作面頂板中存在的堅硬、完整的厚巖層，堅硬頂板巖層不但不能及時、完全冒落，甚至形成永久性的懸臂式結(jié)構(gòu)，增加了作用于臨近工作面的附加應力，對臨近8312工作面2312巷支護，尤其2312巷與2311巷間6m小煤柱，造成不良影響。

圖2 8312、8311工作面工程平面(m)

2 小煤柱應力分布數(shù)值模擬研究

2.1 數(shù)值計算

根據(jù)8311和8312工作面的埋深在模型上邊界施加11.8MPa的垂直應力。各煤巖層本構(gòu)模型采用莫爾-庫倫模型，數(shù)值模擬采用的煤巖層物理力學參數(shù)見表1。

2.2 模擬方案

主要研究8311工作面開采過程中2312巷圍巖應力演化，因此只開采8311工作面。模擬方案如下：

表1 巖石物理力學參數(shù)

1)首先開挖8311工作面巷道，每步開挖9 m，每步開挖完成后及時支護，并進行500步運算平衡。

2)待模型運算穩(wěn)定后，開挖8312工作面巷道，每步開挖9m，每步開挖完成后及時支護，并進行500步運算平衡。

3)兩巷開挖完成后，對8311工作面進行分步回采。

2.3 小煤柱巷道應力分布演化

圖3 2312巷圍巖應力分布

在8311工作面回采過程中2312巷圍巖應力分布隨8311工作面推進距離變化的演化規(guī)律如圖3和圖4所示，圖中相對距離為負值時代表工作面尚未經(jīng)過測站，反之則已經(jīng)推過。由圖3與圖4分析可得：

圖4 8311工作面回采過程中煤柱應力峰值變化

18311工作面回采伊始，由于測站距離工作面較遠，2312巷圍巖應力分布主要受已掘進的兩條巷道影響，在2312巷兩幫形成應力增高區(qū)。其中，煤柱幫受2311巷與2312巷疊加影響，導致煤柱幫應力水平高于工作面幫。

28311工作面開始回采后，受超前支承應力作用影響，煤柱應力峰值開始增長。由于8311工作面前方煤體承載了大部分采空區(qū)頂板載荷，煤柱受超前支承應力作用較小，煤柱峰值應力增長較為緩慢。

38311工作面推過測站后，由于2312巷圍巖緊鄰8311工作面采空區(qū)，煤柱應力峰值在側(cè)向支承應力作用下，迅速增長。并且，隨著8311工作面繼續(xù)推進，測站附近采空區(qū)懸頂面積不斷增加，煤柱應力峰值增長速度加快，直至采空區(qū)頂板觸矸后逐漸穩(wěn)定。

3 小煤柱補強支護技術(shù)方案

3.1 小煤柱支護補強加固方案

為了保證2312巷經(jīng)過多次采動影響下能夠保證正產(chǎn)安全高效回采，有必要對小煤柱煤體進行加固。

根據(jù)現(xiàn)場實際工程地質(zhì)條件，在保證安全高效生產(chǎn)的前提下，通過在2312巷小煤柱幫每排布置2根1×19型21.8mm高強鋼絞線，還原小煤柱三向約束應力轉(zhuǎn)態(tài)，對穿錨索間排距均為1200mm×2400mm，如圖5所示。采用14(a)槽鋼作為鋼帶配合規(guī)格為100mm×100mm×10mm的Q235鼓形托盤對小煤柱進行支護。錨索張拉力不低于230kN。由于2312巷內(nèi)8311工作面附近礦壓顯現(xiàn)較為明顯，所以超前8311工作面50m進行施工。

3.2 小煤柱巷道頂板支護補強方案

2312巷小煤柱所受頂板載荷主要來源于2312巷堅硬厚層頂板的回轉(zhuǎn)下沉，為改善2312巷小煤柱應力環(huán)境，有必要對2312巷頂板進行加強支護，達到抑制頂板發(fā)生離層，減少2312巷頂板回轉(zhuǎn)下沉的目的。通過沿2312巷煤柱側(cè)布置高強度錨索對頂板進行加強支護，每排布置1根1×7型?21.8mm×9300mm高強鋼絞線，排距為2400mm，配套規(guī)格為300mm×300mm×16mm的Q235鼓形托盤，錨索張拉力不低于230kN。由于2312巷內(nèi)8311工作面附近礦壓顯現(xiàn)較為明顯，所以超前8311工作面50m進行施工。

在超前工作面20m至滯后工作面40m范圍內(nèi)，采用單體液壓支柱配合鉸接頂梁及鐵鞋的被動支護方式，在2312巷煤柱側(cè)打設1排密集支柱進行超前支護，排距1.0m，距煤柱0.3m。

圖5 對穿錨索支護斷面(mm)

3.3 小煤柱補強支護技術(shù)工業(yè)性試驗

3.3.1 2312巷礦壓監(jiān)測布置

為獲取2311巷圍巖側(cè)向支承壓力動態(tài)演化規(guī)律，于2312巷在煤柱內(nèi)布置鉆孔應力計進行監(jiān)測。鉆孔應力計測站包含10個鉆孔應力計，煤柱幫各測點間距為1m。圍巖深部應力監(jiān)測測站設計如圖6所示。并通過交叉測量方法，對2312巷在兩側(cè)回采過程中的圍巖變形進行了監(jiān)測。

3.3.2 22312巷礦壓顯現(xiàn)規(guī)律

2312巷各測站側(cè)向支承壓力隨8311工作面位置變化的監(jiān)測結(jié)果如圖7所示。分析圖8可知，2312巷側(cè)向支承壓力隨著距8311工作面的距離變化趨勢與隨著時間的變化趨勢整體相同。根據(jù)應力增量變化曲線，可知2312巷應力有以下規(guī)律：①煤柱內(nèi)部應力不斷降低，尤其煤柱內(nèi)部靠近表面處，圍巖破碎更為嚴重，圍巖應力增量降低幅度更大；②煤柱承載能力不斷降低，但目前煤柱仍具有一定的承載能力，需及時對煤柱進行加強支護提升其承載能力；③2312巷受8311工作面采動影響范圍為工作面超前40m至滯后100m范圍內(nèi)；④煤柱承載能力降低導致頂板載荷向2312巷轉(zhuǎn)移，2312巷煤壁幫內(nèi)部應力不斷升高。

2312巷圍巖變形監(jiān)測結(jié)果如圖8所示，在8311工作面回采過程中，工作面前方60m范圍內(nèi)2312巷圍巖在超前支承應力作用下開始發(fā)生變形，工作面后方100m范圍外2312巷圍巖變形逐漸穩(wěn)定。巷道中央頂板的最大收斂量為241mm，兩幫移進量最大為521mm。巷道服務期間未出現(xiàn)片幫、冒頂?shù)痊F(xiàn)象，考慮到巷道截面對運輸和行人的要求，支護方法優(yōu)化后的2312巷可以滿足要求，這表明2312巷的穩(wěn)定性得到了有效的保持。

圖7 2312巷圍巖壓力監(jiān)測結(jié)果

圖8 2312巷圍巖變形監(jiān)測結(jié)果

4 結(jié) 語

1)基于塔山煤礦8311與8312工作面工程地質(zhì)條件，通過FLAC3D數(shù)值模擬分析了8311工作面回采過程中小煤柱應力分布演化。隨工作面與測站相對位置變化，小煤柱先后承受超前支承應力與側(cè)向支承應力作用，煤柱應力逐漸增大。

2)以8311與8312工作面為工程背景，提出基于對穿錨索加固小煤柱配合頂板支護方案和不對稱錨架補強支護方案?，F(xiàn)場監(jiān)測過程中，巷道中央頂板的最大收斂量為241mm，兩幫移進量最大為521mm，能夠滿足巷道服務期間的安全生產(chǎn)要求。