基于煤體極限強(qiáng)度理論的窄煤柱護(hù)巷技術(shù)及其支護(hù)優(yōu)化研究

程相克 王寧博

（1.平頂山天安煤業(yè)股份有限公司十礦，河南 平頂山 467000；2.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)（北京），北京 100083）

本文以潘一礦1561（1）上風(fēng)巷為研究對(duì)象，對(duì)窄煤柱條件下巷道的礦壓特征進(jìn)行研究并得出基本礦壓顯現(xiàn)規(guī)律，推導(dǎo)出1561（1）上風(fēng)巷窄煤柱的載荷強(qiáng)度計(jì)算公式，利用煤體極限強(qiáng)度理論合理確定了煤柱寬度，最后計(jì)算出巷道錨桿索的支護(hù)強(qiáng)度，對(duì)現(xiàn)有支護(hù)方案進(jìn)行優(yōu)化，取得了良好的支護(hù)效果[1-5]。

1 工程概況

1561（1）工作面位于東三采區(qū)下部六階段，西鄰東三下山采區(qū)系統(tǒng)巷道，東至東三邊界回風(fēng)下山，北方1551（1）工作面正在回采，南方為11-2煤層實(shí)體段及1561（1）下順槽高抽巷，1561（1）工作面正上方為13 槽未采塊段。工作面位置關(guān)系如圖1。

圖1 1561（1）工作面位置關(guān)系

1561（1）工作面開(kāi)采的11-2 煤層賦存較穩(wěn)定，煤層產(chǎn)狀為168°～225°∠4°～9°，11-2 煤為黑色，粉末狀為主，半亮型，煤厚0～2.6 m，平均厚度為1.72 m，煤層結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，1561（1）上風(fēng)巷沿煤層頂板掘進(jìn)，設(shè)計(jì)長(zhǎng)度為1 650.5 m。煤層頂?shù)装鍘r性及厚度見(jiàn)表1。

表1 11-2 煤層及頂?shù)装寤咎卣鞅?/p>

2 窄煤柱煤體礦壓分布特征

2.1 巷道開(kāi)挖前煤體礦壓分布特征

1561（1）工作面巷道開(kāi)挖前，隨巷道掘進(jìn)，煤柱側(cè)的應(yīng)力分布規(guī)律主要為以下三個(gè)階段，如圖2。

（1）原巖應(yīng)力影響階段

在本階段，1551（1）工作面下順槽距離工作面較遠(yuǎn)，未受采動(dòng)影響，因此，煤體只受原巖應(yīng)力作用，在煤柱側(cè)形成卸壓區(qū)、應(yīng)力集中區(qū)和穩(wěn)壓區(qū)三個(gè)區(qū)域。

圖2 巷道開(kāi)挖前煤體應(yīng)力分布特征

（2）采動(dòng)影響階段

在本階段，1551（1）工作面下順槽在工作面前方部分受工作面采動(dòng)影響，在回采引起的超前支承壓力作用下，煤體應(yīng)力集中明顯升高，塑性區(qū)顯著擴(kuò)大，煤體內(nèi)的破壞程度達(dá)到最大。

（3）采動(dòng)影響穩(wěn)定階段

隨工作面不斷推進(jìn)，在采空區(qū)處，回采引起的應(yīng)力分布趨于穩(wěn)定，煤體應(yīng)力下降。此時(shí)，1551（1）工作面下順槽也已經(jīng)垮塌成為采空區(qū)的一部分，由于頂板冒落的矸石無(wú)法全部充填采空區(qū)，上覆巖層的載荷大部分將由煤柱體承載，因此，煤柱體內(nèi)的應(yīng)力分布仍將高于原巖應(yīng)力影響階段。

2.2 巷道開(kāi)挖后煤體礦壓分布特征

如圖3 所示，巷道開(kāi)挖前后煤柱體內(nèi)應(yīng)力特征基本相同。

圖3 巷道開(kāi)挖后煤體應(yīng)力分布特征

在窄煤柱條件下，巷道開(kāi)挖位置往往位于煤體殘余支承壓力的峰值之下。巷道開(kāi)挖過(guò)程中，窄煤柱的整體性遭到破壞，發(fā)生卸壓，引起煤體向1561（1）上風(fēng)巷方向強(qiáng)烈運(yùn)動(dòng)。

在實(shí)體煤壁側(cè)，原來(lái)的壓力升高的彈性區(qū)逐漸衍變?yōu)槠屏褏^(qū)、塑性區(qū)。隨著支承壓力在煤體內(nèi)部的移動(dòng)，煤體也開(kāi)始向1561（1）上風(fēng)巷方向發(fā)生顯著位移。最終的應(yīng)力分布如曲線2 所示。

窄煤柱巷道在掘進(jìn)期間，巷道圍巖的位移和變形都比較嚴(yán)重，巷道的壓力主要來(lái)自于已經(jīng)發(fā)生破壞的窄煤柱側(cè)。處于破碎區(qū)的煤體難以對(duì)頂板形成有效支承，同時(shí)巷道的實(shí)際跨度和懸頂距變大。因此，確定合理有效的煤柱寬度，采用恰當(dāng)?shù)南锏乐ёo(hù)方式對(duì)維護(hù)巷道的穩(wěn)定具有重要意義。

3 煤柱寬度理論計(jì)算

3.1 窄煤柱煤體載荷強(qiáng)度計(jì)算

區(qū)段保護(hù)煤柱上的載荷主要來(lái)自區(qū)段煤柱上覆巖層的重量和煤柱一側(cè)或兩側(cè)采空區(qū)懸露的巖層轉(zhuǎn)移到煤柱上的重量。因此，選取1561（1）上風(fēng)巷單位長(zhǎng)度的區(qū)段煤柱進(jìn)行受力分析如圖4。

圖4 1561（1）上風(fēng)巷區(qū)段煤柱載荷示意圖

可以得出區(qū)段煤柱上的載荷計(jì)算公式如下：

式中：σ 為煤柱承受的極限荷載，MPa；γ 為上覆巖層平均體積力，N/m3；δ 為采空區(qū)上覆巖層垮落角，（°）；B 為煤柱寬度，m；D 為采空區(qū)寬度，m。

3.2 煤體極限強(qiáng)度理論

煤體極限強(qiáng)度理論是指當(dāng)煤柱所承受的載荷小于其承載能力時(shí)，煤體能夠保持其穩(wěn)定性，否則煤體將會(huì)發(fā)生失穩(wěn)破壞。

煤柱強(qiáng)度和組成煤柱的煤體強(qiáng)度、煤柱高度、寬度以及煤柱內(nèi)部的結(jié)構(gòu)特征有關(guān)。前人總結(jié)得出的煤體強(qiáng)度經(jīng)驗(yàn)公式有Obert-Dwvall/Wang（1967）和Bieniawski（1968）公式。

式中：R 為煤柱的極限強(qiáng)度，MPa；Rc為煤塊的單軸抗壓強(qiáng)度，MPa；B 為煤柱寬度，m；h 為煤柱高度，m。

要保證區(qū)段煤柱的穩(wěn)定，必須保證煤柱的極限荷載σ 不超過(guò)其極限強(qiáng)度R。令式σ=R，可得如下式：

根據(jù)1561（1）工作面附近鉆孔資料及相關(guān)力學(xué)實(shí)驗(yàn)參數(shù)，埋深H=575 m，采空區(qū)上覆巖層跨落角取δ=45°，采空區(qū)寬度D=190 m，煤柱高度h=1.72 m，煤體抗壓強(qiáng)度RC=22 MPa，上覆巖層容重γ=24 kN/m3。

因此，根據(jù)上述公式確定煤柱的合理寬度為：B=20.24 m。

上述計(jì)算出的煤體寬度是包含了煤體破碎區(qū)、塑性區(qū)、彈性區(qū)的總寬度。

根據(jù)A?H?威爾遜煤柱兩區(qū)約束理論，可以計(jì)算出煤體塑性區(qū)寬度，如式（4）所示。

式中：Y 為屈服區(qū)寬度，m；H 為采厚，m；M為采深，m。

因此可以得出1561（1）上風(fēng)巷煤柱側(cè)和采空區(qū)側(cè)的塑性區(qū)寬度為：L1=L2=4.86 m。

煤柱兩側(cè)產(chǎn)生塑性變形后，在煤柱中央存在一定寬度的彈性核，彈性核的寬度應(yīng)不小于煤柱高度的2 倍。故彈性區(qū)寬度L3=2h=3.44 m。

因此1561（1）上風(fēng)巷煤體破碎區(qū)的寬度為：b=B-L1-L2-L3=7.1 m，故1561（1）上風(fēng)巷在進(jìn)行窄煤柱護(hù)巷時(shí)所留煤柱寬度應(yīng)小于7.1 m。

4 支護(hù)方案優(yōu)化設(shè)計(jì)

4.1 錨桿索支護(hù)理論分析

（1）錨桿支護(hù)理論

錨桿的作用實(shí)質(zhì)是通過(guò)錨接進(jìn)巷道圍巖內(nèi)部的桿體，改變巷道圍巖的力學(xué)狀態(tài)，促使圍巖形成一個(gè)載荷體和承載體有機(jī)結(jié)合的整體，從而在巷道圍巖中形成自穩(wěn)體系。

（2）錨索支護(hù)理論

與錨桿相比，錨索具有錨固深度大、錨固力大、可施加較大的預(yù)緊力等諸多優(yōu)點(diǎn)，是困難巷道工程支護(hù)加固不可缺少的重要手段。不同形式的錨索其支護(hù)加固機(jī)理也有所不同。當(dāng)錨桿支護(hù)不能保證圍巖穩(wěn)定時(shí)可以通過(guò)錨索加強(qiáng)支護(hù)，保持巷道穩(wěn)定。

4.2 支護(hù)方案優(yōu)化設(shè)計(jì)

通過(guò)上述錨桿索支護(hù)理論的分析，對(duì)1561（1）工作面在窄煤柱條件下的巷道礦壓顯現(xiàn)規(guī)律及所受到的采動(dòng)影響進(jìn)行充分考慮之后，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)施工情況，對(duì)支護(hù)設(shè)計(jì)進(jìn)行了優(yōu)化，如圖5。

（1）巷道支護(hù)形式：錨網(wǎng)索加鋼梁聯(lián)合支護(hù)。

（2）巷道頂板支護(hù)設(shè)計(jì)：間排距為900 mm×800 mm 的Φ20 mm×2000 mm 高強(qiáng)錨桿；錨索采用Φ22 mm×6200 mm，配用KM22-1 鎖具，分別左右對(duì)稱(chēng)布置在靠近巷道中線和兩幫位置，排距為800 mm，配合使用L=5000 mm 的14#槽鋼；頂部鋪設(shè)10#鐵絲金屬網(wǎng)，規(guī)格為5600 mm×1000 mm。

（3）煤柱幫支護(hù)：間排距為800 mm×800 mm 的Φ16 mm×60 mm×2800 mm 錨條，配合使用W5-178 鋼帶及斜木墊板；在靠近頂板500～1000 mm 處布置Φ22 mm×4800 mm 的錨索，排距為1600 mm，配合使用300 mm×300 mm×10 mm 大鐵墊板、三角墊板；將上幫底腳錨桿滯后迎頭30 m 施工以解決巷道上幫底板滲水造成的底腳錨桿施工困難問(wèn)題，在底腳錨桿設(shè)計(jì)位置施工規(guī)格為Φ20 mm×2000 mm 的臨時(shí)護(hù)幫錨桿，同時(shí)鋪設(shè)10#鐵絲金屬網(wǎng)，規(guī)格為3200 mm×1000 mm。

（4）實(shí)體煤幫支護(hù)：間排距1000 mm×800 mm 的Φ16 mm×60 mm×2100 mm 錨條，配合使用W5-178 鋼帶及斜木墊板；鋪設(shè)10#鐵絲金屬網(wǎng)，規(guī)格為2800 mm×1000 mm。

圖5 1561（1）上風(fēng)巷優(yōu)化支護(hù)方案

4.3 工程應(yīng)用效果

采用優(yōu)化后的支護(hù)方案對(duì)1561（1）上風(fēng)巷進(jìn)行支護(hù)后，在巷道內(nèi)設(shè)置測(cè)點(diǎn)對(duì)巷道圍巖的變現(xiàn)量進(jìn)行監(jiān)測(cè)，以確定巷道支護(hù)的效果。觀測(cè)結(jié)果表明，巷道頂?shù)装寮皟蓭偷囊七M(jìn)量明顯小于原方案，達(dá)到了支護(hù)設(shè)計(jì)優(yōu)化的要求，取得了良好的支護(hù)效果。

5 結(jié)論

（1）基于1561（1）上風(fēng)巷的地質(zhì)賦存條件，分析總結(jié)了窄煤柱條件下1156（1）上風(fēng)巷開(kāi)挖前后煤體內(nèi)礦壓的基本分布特征。

（2）通過(guò)理論推導(dǎo)得出了1561（1）上風(fēng)巷煤柱極限載荷強(qiáng)度，并結(jié)合煤體極限強(qiáng)度理論計(jì)算得出了1561（1）巷合理的煤柱寬度為7.1 m。

（3）結(jié)合1561（1）上風(fēng)巷的實(shí)際施工情況，通過(guò)對(duì)錨網(wǎng)索聯(lián)合支護(hù)理論的分析，對(duì)巷道支護(hù)方案進(jìn)行了優(yōu)化，取得了良好的效果。