高地應(yīng)壓力下沿空掘巷窄煤柱留設(shè)分析及其控制技術(shù)

張俊文，鐘 帥，郭小紅

（蘭州資源環(huán)境職業(yè)技術(shù)學(xué)院,甘肅 蘭州730020）

0 引言

深埋礦井在高地應(yīng)力作用下，構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)復(fù)雜、煤巖體塑性變形特性加劇，巷內(nèi)圍巖的蠕變及擴(kuò)容現(xiàn)象顯著，致使出現(xiàn)明顯的開(kāi)采擾動(dòng)，表現(xiàn)出煤巖體節(jié)理裂隙開(kāi)張及不連續(xù)驟變的沖擊性，使得巷道變形嚴(yán)重。為提高煤炭回收率，國(guó)內(nèi)學(xué)者提出了在采空區(qū)一側(cè)留設(shè)窄煤柱進(jìn)行圍巖控制的方法，但受限于高地應(yīng)力作用，沿空巷的維護(hù)愈發(fā)困難，產(chǎn)生巷內(nèi)錨桿預(yù)應(yīng)力過(guò)低、抗沖擊性能差、錨桿被拉斷或整體滑動(dòng)的問(wèn)題；伴隨出現(xiàn)巷內(nèi)沖擊礦壓、圍巖大量變形。就目前而言，高地應(yīng)壓力下沿空掘巷窄煤柱的合理尺寸設(shè)計(jì)及其圍巖控制技術(shù)是制約煤礦開(kāi)采的一大因素[1]。

近年來(lái)，對(duì)于采場(chǎng)的礦壓顯現(xiàn)規(guī)律及控制技術(shù)得到國(guó)內(nèi)外多數(shù)學(xué)者的重視，并取得了大量成果，但對(duì)于回采巷道礦壓顯現(xiàn)規(guī)律，尤其是沿空掘巷的來(lái)壓規(guī)律及其圍巖控制技術(shù)的探究關(guān)注卻遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，高地應(yīng)壓力下沿空掘巷的回采巷道支護(hù)理論及方式大多沿用之前的開(kāi)采方法。因此，科學(xué)準(zhǔn)確地分析沿空掘巷窄煤柱尺寸并開(kāi)展巷內(nèi)支護(hù)設(shè)計(jì)，是促進(jìn)煤礦安全生產(chǎn)、保障高產(chǎn)高效的重要技術(shù)途徑。由于煤巖體物理變化過(guò)程復(fù)雜、變形影響因素多樣，因而依據(jù)經(jīng)驗(yàn)留設(shè)煤柱或在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行實(shí)際測(cè)定仍是研究該問(wèn)題的主要辦法[2-5]，但深埋礦井受限于生產(chǎn)布局等客觀因素限制而不具備實(shí)地觀測(cè)條件，所以，利用物理模擬、數(shù)值模擬手段建立仿真環(huán)境，在模擬試驗(yàn)的基礎(chǔ)上確定合理窄煤柱尺寸并提出圍巖控制措施，不失為研究該問(wèn)題的一種有效手段[6-8]。本文以甘肅魏家地煤礦1302工作面為研究對(duì)象，利用物理模擬手段，討論該工作面不同煤柱尺寸時(shí)的應(yīng)力分布情況，分析回采巷道圍巖應(yīng)力分布規(guī)律，確定了合理窄煤柱尺寸，并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)礦壓觀測(cè)、巷內(nèi)支護(hù)理論分析，設(shè)計(jì)巷內(nèi)支護(hù)方式。

1 工作面概述

魏家地煤礦1302工作面采用綜放開(kāi)采，埋深超過(guò)550 m，根據(jù)該礦的地質(zhì)特點(diǎn)，具有典型的西部地區(qū)深井特征，工作面煤層頂?shù)装鍘r性為粗砂巖、粉砂巖，厚度10.21～20 m，成份以石英為主，次為長(zhǎng)石,含大量煤屑、煤塊、云母；分選均一，性脆致密，水平層理明顯、堅(jiān)硬。直接頂呈深灰色,粗砂巖，厚8～10.07 m,成份以石英為主,次為長(zhǎng)石，含云母、煤屑、變質(zhì)巖塊，性脆，含少量植物化石碎片，致密，水平層理。

F3斷層位于工作面東北部，F(xiàn)3斷層是被F1-2斷層組覆蓋的隱蔽性逆斷層，在該工作面附近斷層落差70～90 m，落差西段大，東段小。

2 1302工作面沿空掘巷窄煤柱尺寸留設(shè)

2.1 實(shí)驗(yàn)參數(shù)設(shè)計(jì)

本次實(shí)驗(yàn)幾何相似比1∶100，時(shí)間相似比1∶10。為計(jì)算體積重度比例[9-10]，對(duì)照質(zhì)量為0.211 95 kg的巖石試件，依據(jù)強(qiáng)度比1∶100制作高徑比為2的相似材料實(shí)驗(yàn)試件，其試件體積188.312 5 cm3,質(zhì)量0.2 kg，巖石密度以2 400 kg/m3套用計(jì)算，進(jìn)而確定體積重度比為1∶2。

工作面上覆巖層厚度為300 m,受限實(shí)驗(yàn)架高度，本次實(shí)驗(yàn)?zāi)M巖層厚度125 m，其余175 m巖層應(yīng)力作用以應(yīng)力補(bǔ)償完成，依據(jù)鉛直應(yīng)力計(jì)算，需再補(bǔ)償1 657 kg應(yīng)力，此次實(shí)驗(yàn)的應(yīng)力補(bǔ)償采用增加配重的方式完成。

2.2 實(shí)驗(yàn)分析

此次實(shí)驗(yàn)?zāi)康脑谟谕ㄟ^(guò)物理模擬手段，實(shí)現(xiàn)直觀對(duì)比不同窄煤柱尺寸的應(yīng)力分布態(tài)勢(shì)及支撐效果[11-13]，進(jìn)而合理選擇煤柱尺寸。針對(duì)實(shí)驗(yàn)?zāi)康牡囊?，本次?shí)驗(yàn)選取EMA平面模擬架，模擬1302工作面不同煤柱尺寸。實(shí)驗(yàn)架尺寸3.0 m×0.20 m×1.5 m，相似材料中的骨料選取河砂、碳酸鈣、煤粉。為模擬巖石分層效果，實(shí)驗(yàn)材料按1 cm厚度為單位逐層搭設(shè)，并逐層均勻放置云母粉。將河砂的密度按1.6 g/cm3計(jì)算，并依據(jù)填充體積逐層確定相似材料用量，相似材料實(shí)驗(yàn)架如圖1所示。

圖1 相似材料模擬實(shí)驗(yàn)架

為分析不同煤柱尺寸的內(nèi)部應(yīng)力變化，在模擬煤層中提前埋設(shè)應(yīng)力應(yīng)變片，由左向右通過(guò)模擬開(kāi)采的手段不斷變化煤柱尺寸，采集不同煤柱尺寸下的應(yīng)力應(yīng)變數(shù)據(jù)，以此得到煤柱尺寸變化時(shí)其內(nèi)部的應(yīng)力分布態(tài)勢(shì)。并選用AD-64/mV型壓力數(shù)據(jù)采集儀，在相似材料下方均勻設(shè)置壓力采集器，分析模擬開(kāi)采后工作面頂?shù)装宓膽?yīng)力分布態(tài)勢(shì)，以此分析煤柱尺寸變化與工作面應(yīng)力集中間的影響關(guān)系。

為直觀驗(yàn)證煤柱支撐效果，在模型架表面，布置觀測(cè)點(diǎn)并分別編號(hào)，每次模擬開(kāi)采前，采用全站儀采集各測(cè)點(diǎn)移動(dòng)變形數(shù)據(jù)。通過(guò)覆巖移動(dòng)現(xiàn)象側(cè)面驗(yàn)證煤柱支撐效果[14-16]。

分別選取護(hù)巷煤柱為8.5、8、7.5、7、6.5、6 m共6組尺寸，開(kāi)展模擬開(kāi)采效果下覆巖運(yùn)移及應(yīng)力集中程度的對(duì)比實(shí)驗(yàn)，從巷道變形程度及煤柱內(nèi)部的應(yīng)力分布態(tài)勢(shì)兩方面評(píng)價(jià)煤柱尺寸，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，伴隨煤柱尺寸遞減，巷道變形程度出現(xiàn)曲型變化，以尺寸6.5 m達(dá)到巷道頂板下沉的最小值2.5 cm，工作面?zhèn)认蜷_(kāi)采應(yīng)力的減壓區(qū)洽進(jìn)入6.5 m煤柱處，該煤柱尺寸對(duì)應(yīng)力分布形成驅(qū)趕作用，將高應(yīng)力區(qū)驅(qū)趕至未開(kāi)采區(qū)，實(shí)現(xiàn)更好護(hù)巷效果，煤柱內(nèi)應(yīng)力集中程度較之其他煤柱有減少趨勢(shì)，6.5 m煤柱尺寸下工作面自開(kāi)切眼向60 m開(kāi)采過(guò)程中，井巷應(yīng)力多集中于20~40 MPa，故將煤柱合理留設(shè)尺寸定為6.5m，煤柱應(yīng)力采集如圖2所示。

圖2 6.5 m煤柱尺寸下煤柱應(yīng)力采集

3 回采巷道支護(hù)方式設(shè)計(jì)

3.1 巷內(nèi)應(yīng)力分布的實(shí)測(cè)設(shè)計(jì)

觀測(cè)內(nèi)容定為1302綜放工作面“三量”（支護(hù)阻力、活柱下縮、頂?shù)装逡平浚┯^測(cè)和工作面2道變形量觀測(cè)。

1）測(cè)點(diǎn)布置原則：為保證觀測(cè)的準(zhǔn)確性，要求泵站壓力不低于30 MPa，支護(hù)額定工作阻力4 800 kN，初撐力3 877 kN，測(cè)區(qū)內(nèi)支架支撐高度要求在2.4～2.6 m之間,以免活柱量過(guò)低影響觀測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)量。測(cè)點(diǎn)處原則上不得出現(xiàn)抽冒頂,若有抽冒頂時(shí)必須注明情況,以便對(duì)觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行針對(duì)性分析。

2）工作面來(lái)壓觀測(cè)：工作面支護(hù)阻力觀測(cè)通過(guò)使用壓力表檢測(cè)頂板壓力實(shí)現(xiàn)，1302工作面從上端頭支架開(kāi)始每間隔10副支架布置1個(gè)測(cè)點(diǎn)，共布置14個(gè)測(cè)點(diǎn)，1測(cè)點(diǎn)為1號(hào)架，2測(cè)點(diǎn)為11號(hào)架，3測(cè)點(diǎn)為21號(hào)架，4測(cè)點(diǎn)為31號(hào)架，5測(cè)點(diǎn)為41號(hào)架，6測(cè)點(diǎn)為51號(hào)架，7測(cè)點(diǎn)為61號(hào)架，8測(cè)點(diǎn)為71號(hào)架，9測(cè)點(diǎn)為81號(hào)架，10測(cè)點(diǎn)為91號(hào)架，11測(cè)點(diǎn)為101號(hào)架，12測(cè)點(diǎn)為111號(hào)架，13測(cè)點(diǎn)為121號(hào)架，14測(cè)點(diǎn)為133號(hào)架，每個(gè)測(cè)點(diǎn)在左立柱進(jìn)液管頭安裝一塊量程為60 MPa的抗震壓力表，測(cè)量記錄立柱支撐頂板的壓力變化。其中1、14測(cè)點(diǎn)主要觀測(cè)兩順槽頂板來(lái)壓規(guī)律，2～13測(cè)點(diǎn)主要觀測(cè)工作面老頂來(lái)壓步距及規(guī)律，為工作面煤幫維護(hù)提供預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)。此外，工作面從上端頭支架開(kāi)始間隔15副支架布置1組KJ24礦壓監(jiān)測(cè)點(diǎn)，工作面共布置9個(gè)KJ24礦壓監(jiān)測(cè)點(diǎn)，用于動(dòng)態(tài)觀測(cè)工作面液壓支架的壓力情況，便于掌握工作面來(lái)壓規(guī)律。

4）兩順槽變形觀測(cè)：在1302工作面兩順槽的頂部每間隔100 m，安設(shè)1組KJ24礦壓監(jiān)測(cè)儀，每組包括1臺(tái)圍巖移動(dòng)（離層）傳感器、1臺(tái)錨桿（索）傳感器、1臺(tái)圍巖應(yīng)力傳感器，對(duì)巷道收斂情況進(jìn)行觀測(cè)。距開(kāi)幫線200 m范圍內(nèi)每隔50 m設(shè)1組“十”字觀測(cè)，觀測(cè)站隨工作面推進(jìn)向前移動(dòng)布置，保證4組觀測(cè)站對(duì)底鼓及兩幫情況進(jìn)行正常觀測(cè)。監(jiān)測(cè)內(nèi)容包括順槽表面收斂、圍巖深部位移、頂板下沉量、錨固區(qū)內(nèi)外的離層、錨桿錨索受力及分布情況、圍巖變形速度、變形量測(cè)試、圍巖靜動(dòng)態(tài)松動(dòng)范圍測(cè)試等。

3.2 巷內(nèi)支護(hù)理論分析

3.2.1 錨桿加固頂板巖(煤)層的三部曲

受采動(dòng)影響的煤層巷道由于自穩(wěn)性能差，其巷內(nèi)變形的主要特點(diǎn)是頂板發(fā)生大面積撓曲變形、出現(xiàn)離層和破裂。錨桿加固頂板巖層的效果主要取決于能否及時(shí)支護(hù)、錨桿的初撐力、剛度和工作阻力?？蓪㈠^桿加固頂板巖層的作用分成3個(gè)階段，即圍巖初始強(qiáng)度降低階段，錨固后圍巖組合強(qiáng)度增長(zhǎng)階段、支護(hù)圍巖共同作用后組合強(qiáng)度下降或喪失階段。

根據(jù)支護(hù)時(shí)間及錨固先后次序，可分為3種支護(hù)效果：①當(dāng)頂板已發(fā)生離層、破裂后支設(shè)錨桿。此時(shí)頂板巖層初始強(qiáng)度已降低，錨固后的組合強(qiáng)度偏低，致使頂板巖層的自承力始終低于頂板壓力，難以有效控制頂板破裂程度的發(fā)展，錨固作用很快減弱或失效；②頂板發(fā)生離層、破壞前支護(hù)錨桿。但如若錨桿初撐力、剛度或形成的工作阻力不高，會(huì)致使錨固后的組合強(qiáng)度提升不大，隨著圍巖變形及位移的加劇，組合強(qiáng)度有明顯下降現(xiàn)象，并逐漸減弱而喪失；③頂板發(fā)生離層、破壞前及時(shí)支護(hù)初撐力、剛度和工作阻力都較高的錨桿。這時(shí)錨固后的頂板組合強(qiáng)度明顯高于初始強(qiáng)度，有利于提高錨桿的支護(hù)阻力和發(fā)揮頂板巖層的自穩(wěn)能力，有效控制頂板的變形和破裂。

由此可見(jiàn)，錨桿支護(hù)能否有效控制軟弱頂板,關(guān)鍵是必須實(shí)現(xiàn)強(qiáng)初撐、急增阻、高阻力，使得軟弱復(fù)合頂板由疊合梁轉(zhuǎn)化為組合梁，以此提高支護(hù)圍巖共同作用后的組合強(qiáng)度，形成圍巖承載體結(jié)構(gòu)。

3.2.2 支護(hù)圍巖作用過(guò)程中錨固力的變化規(guī)律

伴隨巷道圍巖的變形，錨桿錨固力的提升、穩(wěn)定、遞減及喪失過(guò)程是巷道剪脹變形與圍巖共同作用的結(jié)果。

1）巷道開(kāi)掘期內(nèi)，在錨桿錨固段的圍巖發(fā)生碎脹變形的過(guò)程中，錨桿與圍巖作用關(guān)系表現(xiàn)為：尾部桿在變形階段為主要受力部位，隨圍巖的變形逐漸擴(kuò)展至煤巖體深部，錨桿增阻速度開(kāi)始加快，并且桿體最大軸力點(diǎn)由桿體尾部轉(zhuǎn)移到桿體中部，進(jìn)而圍巖的自承力得到較大提高，有效控制了掘進(jìn)引起的圍巖變形。

2）掘進(jìn)影響趨于穩(wěn)定后，錨固力較高，錨桿最大軸力接近或達(dá)到錨固力峰值。此時(shí),錨固效果對(duì)圍巖破碎區(qū)形成互相的擠壓咬合，并有效控制深部巖（煤）體的位移，抑制了圍巖流變現(xiàn)象。

3）采動(dòng)影響時(shí)期，伴隨巷道圍巖變形繼續(xù)向深處的巖（煤）體擴(kuò)展，在整體位移出現(xiàn)的前提下，錨固體致使圍巖碎脹變形加劇，錨固力由于錨固損害的加劇而開(kāi)始衰減，甚至喪失錨固作用。

3.3 巷道支護(hù)設(shè)計(jì)

3.3.1 工作面上、下端頭支護(hù)

上下出口各采用3架ZFG5200/20/32型過(guò)渡支架支護(hù)，下出口（運(yùn)輸順槽）采用1組（前、后架）ZZFT12000/22/35型端頭支架支護(hù)。

如果133號(hào)支架與回風(fēng)順槽上幫距離達(dá)1.2 m以上時(shí)，上端頭空幫處的支護(hù)采用4.0 m長(zhǎng)的花邊鋼梁配合單體支柱，架設(shè)一梁四柱走向邁步抬棚支護(hù)，對(duì)棚間距0.6 m，梁間距0.2 m，梁腿用DZ-2.5～3.18型單體支柱,邁步距1.2 m。

如果133號(hào)支架與回風(fēng)順槽上幫出現(xiàn)擠架時(shí),采取人工用鎬釬擴(kuò)掘上幫的辦法,確保移架推溜順利進(jìn)行，并要保護(hù)好灌漿管路和監(jiān)測(cè)線路。抬棚下及超前范圍內(nèi)要求凈高在1.8 m以上,確保上出口通風(fēng)和行人暢通。

3.3.2 兩順槽超前支護(hù)方式

1）工作面在回采期間運(yùn)輸順槽超前支護(hù)按30 m架設(shè)，回風(fēng)順槽為小煤柱側(cè)巷道，超前支護(hù)按50 m架設(shè)。

2）兩順槽超前支護(hù)棚距均按0.8 m架設(shè)。

3）回風(fēng)及運(yùn)輸順槽超前支護(hù)采用2.3～3.0 m圓木棚梁（圓木梁加工成兩端部上、下為平面），配合DZ-3.18 m、DW35-250/110單體支柱、DJB-800鉸接頂梁支護(hù)，單體支柱必須迎山合理，與頂梁鉸接牢靠，支柱支設(shè)在鉸接頂梁中部，圓木梁放置在支柱對(duì)應(yīng)位置，支柱距梁頭0.1 m架設(shè)。

4）要求抬棚高度達(dá)到2.5 m以上，棚梁盡量接近巷道拱頂位置，梁頭與巷道兩肩部靠接穩(wěn)固，局部超高段棚梁接頂困難時(shí)，用2道8號(hào)鉛絲將棚梁與頂網(wǎng)綁扎固定。抬棚沿走向坡度均勻變化，保持平直。每2付抬棚進(jìn)行聯(lián)鎖，先采用1.5 m長(zhǎng)的半圓木絞背1層（4塊），再用0.6 m板皮碼2個(gè)木垛絞背接頂。

5）要求單體支柱保險(xiǎn)繩齊全可靠。2條保險(xiǎn)繩方向相反，固定在巷道頂網(wǎng)上。單體支柱必須穿靴，柱靴采用150 mm×200 mm×300 mm油道木。

3.3.3 預(yù)應(yīng)力全長(zhǎng)樹(shù)脂錨固設(shè)計(jì)

該礦目前采用桿體φ14~16 mm端錨錨桿，錨固力僅40~50 kN。主要缺點(diǎn)是錨固力低，系統(tǒng)剛度小，可靠性差。錨固力衰減快。主要適用于圍巖較穩(wěn)定、變形量較小的巷道。

考慮錨固作用效果及錨固力確定方式，更改設(shè)計(jì)為預(yù)應(yīng)力全長(zhǎng)樹(shù)脂錨固錨桿，它是實(shí)現(xiàn)強(qiáng)初撐，急增阻、高應(yīng)阻力的重要技術(shù)。受采動(dòng)影響比較強(qiáng)烈的煤層巷道，確定錨桿桿體φ20~22 mm，依據(jù)懸吊理論，對(duì)照經(jīng)驗(yàn)類比、松動(dòng)圈深度確定、加固拱原理計(jì)算錨桿長(zhǎng)度，最終確定頂錨桿長(zhǎng)度2.20 m，圍巖較破碎情況下頂錨桿長(zhǎng)度2.8 m，幫錨桿長(zhǎng)度2.2 m，錨固方式由端錨改為預(yù)應(yīng)力全長(zhǎng)樹(shù)脂錨固，使用金屬網(wǎng)、W型鋼帶或錨桿桁架等聯(lián)合支護(hù)，實(shí)踐證明，可基本實(shí)現(xiàn)錨桿支護(hù)的強(qiáng)初撐急增阻和高阻力。

4 總結(jié)

針對(duì)魏家地煤礦構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)復(fù)雜，煤巖體塑性變形過(guò)程中出現(xiàn)明顯開(kāi)采擾動(dòng)、沿空掘巷窄的回采巷道變形嚴(yán)重、巷道錨桿支護(hù)困難等問(wèn)題，開(kāi)展魏家地煤礦1302工作面綜放開(kāi)采時(shí)沿空掘巷窄煤柱的穩(wěn)定性及其控制技術(shù)研究，采用相似材料模擬實(shí)驗(yàn)、理論分析、現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)等方法，一方面采用平面應(yīng)力模型模擬工作面開(kāi)采，研究該綜放工作面礦壓顯現(xiàn)規(guī)律，提出沿空掘巷窄小煤柱合理尺寸；另通過(guò)理論分析、現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)等手段建立頂板力學(xué)結(jié)構(gòu)模型，分析支架及煤壁穩(wěn)定性、獲得合理煤巷支護(hù)形式并提出圍巖控制對(duì)策。