8106 風巷沿空掘巷煤柱寬度設計及圍巖控制技術研究

孫滿義

（淮北礦業(yè)（集團）有限責任公司朱仙莊煤礦，安徽 宿州 234111）

1 工程概況

淮北礦業(yè)集團公司朱仙莊煤礦8106 工作面位于十采區(qū)北翼五區(qū)段，工作面南距F11 斷層20 m左右，北距810 回風上山下段4 m 左右，上鄰8105工作面采空區(qū)，下以F24 斷層為界與十二采區(qū)（未開拓）相鄰。工作面開采8#煤層，煤層平均厚度12.0 m，平均傾角15°。煤層頂?shù)装鍘r層特征見表1。

表1 煤層頂?shù)装鍘r層特征表

8106 風巷設計斷面為三心拱形，巷道沿8#煤層底板掘進，凈寬×凈高=4800 mm×3500 mm。8106 風巷掘進期間，鄰近8105 工作面已回采完畢，屬于沿空掘進。由于8#煤層屬松軟煤層，8106 風巷掘進期間為確定合理的護巷煤柱寬度及巷道合理的支護方案，特進行沿空掘巷煤柱寬度和圍巖控制技術的研究分析。

2 沿空掘巷合理煤柱寬度分析

為確定8106 風巷沿空掘進期間合理的煤柱寬度，考慮到采用理論分析時，眾多參數(shù)的選取與確定會存在一定偏差，會導致計算結(jié)果存在著較大誤差，現(xiàn)為保障煤柱寬度分析結(jié)果的準確性，采用FLAC3D數(shù)值模擬軟件進行沿空掘巷期間合理煤柱寬度的分析[1-3]。根據(jù)8106 風巷的地質(zhì)條件，建立長×寬×高=90 m×140 m×37.5 m 的數(shù)值模型，數(shù)值模型側(cè)邊固定兩側(cè)位移，頂部施加等效覆巖荷載，模型底部作固定處理，模型側(cè)壓系數(shù)取為1.2。具體的數(shù)值模擬模型如圖1。

圖1 數(shù)值模擬模型圖

根據(jù)8106 風巷的地質(zhì)條件，在充分考慮圍巖穩(wěn)定及經(jīng)濟性的條件下，本次主要對比分析煤柱寬度為3 m、4 m、5 m、8 m、10 m 和12 m 時的圍巖變形特征，主要根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果分析不同煤柱寬度下煤柱水平位移、窄煤柱變形規(guī)律及圍巖表面位移規(guī)律，具體分析如下：

2.1 煤柱水平位置

根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果能夠得出8106 風巷在不同護巷煤柱寬度下掘進時煤柱的水平云圖。由于模擬對比方案較多，故采用曲線圖的方式進行分析。具體不同煤柱寬度下水平位移曲線如圖2。

圖2 不同煤柱寬度下水平位移曲線圖

分析圖2 可知，當8106 風巷沿空掘進期間，煤柱寬度為3 m 時，煤柱水平位移相對不大，但此時煤柱全部處于塑性區(qū)域，無法保障煤柱幾何形狀的穩(wěn)定性。當煤柱寬度增大為4 m 時，煤柱的水平位移最大值進一步增大。且在煤柱寬3 m 或4 m 時，在煤柱中部的水平位移較為顯著，這即表明煤柱整體處于非穩(wěn)定狀態(tài)。當煤柱寬度為5 m 時，護巷煤柱中部水平位移量很小，基本無變化，這即表明煤柱大部分處于穩(wěn)定狀態(tài)。當煤柱寬度大于5 m 后，煤柱中部仍呈現(xiàn)為穩(wěn)定狀態(tài)，但煤柱的水平位移量相較于煤柱為5 m 時出現(xiàn)一定程度的增大。另外從圖中能夠看出，當煤柱寬度大于8 m 時，隨著煤柱寬度的增大，煤柱向采空側(cè)的位移量呈現(xiàn)出逐漸增大的趨勢。這是由于煤柱寬度較大，煤柱處于側(cè)向支撐壓力峰值影響區(qū)域內(nèi)。

2.2 圍巖變形量

不同煤柱寬度下巷道圍巖變形曲線如圖3。

圖3 不同煤柱寬度下圍巖變形曲線圖

分析圖3 可知：

（1）窄煤柱寬度對巷道頂板下沉量影響程度較高。隨著煤柱寬度增大，頂板下沉量呈現(xiàn)出先降低后升高的趨勢。當煤柱寬度由3 m 增至5 m 時，巷道頂板下沉量由127.4 mm 逐漸減小至89.7 mm，減小幅度42.3%；而當煤柱寬度大于8 m 后，隨著煤柱寬度的增大，頂板下沉量呈現(xiàn)出一定的上升趨勢；當煤柱寬度大于10 m 后，隨著煤柱寬度的進一步增大，頂板下沉量基本不再變化。巷道底鼓方面，當煤柱寬度大于5 m 后，巷道的底鼓量基本達到穩(wěn)定狀態(tài)。

（2）窄煤柱幫變形方面。隨著煤柱寬度的增大，窄煤柱的變形呈現(xiàn)為急劇增大—迅速減小—緩慢增長—趨于穩(wěn)定。窄煤柱變形量最大值在煤柱寬度為4 m 時取得，窄煤柱在該寬度下變形量大的主要原因為煤柱處于應力增高區(qū)，此時煤柱在應力作用下處于不穩(wěn)定狀態(tài)，易出現(xiàn)大范圍的片幫現(xiàn)象。煤柱寬度為5～8 m 和寬度大于8 m 時窄煤柱幫的變形量基本相同。

（3）實體煤幫變形方面。實體煤幫的變形量受煤柱寬度變化影響較小，可認為在現(xiàn)有模擬方案下實體煤幫基本均處于相對穩(wěn)定狀態(tài)。

綜合上述分析可知，結(jié)合礦井生產(chǎn)經(jīng)驗及眾多理論研究結(jié)果[4-6]，確定8106 風巷的合理煤柱寬度為5 m。

3 圍巖控制技術

3.1 支護方案

根據(jù)8106 風巷的地質(zhì)條件，結(jié)合巷道在5 m煤柱寬度下沿空掘巷期間圍巖變形特征，確定巷道支護方案為：U 型棚+鎖梁錨索、鎖腿錨桿+注漿錨桿、錨索支護。具體支護方案如下：

（1）U 型棚支護。U 型棚采用U29 可縮性三心拱棚，棚距550 mm（中-中），U 型棚搭接長度400 mm，每處搭接用兩副限位卡纜和一副中部限位卡纜卡緊，卡纜螺母扭矩不小于300 N·m，壁后采用金屬網(wǎng)、雙抗網(wǎng)配合鐵背板全斷面腰背，鐵背板間距300 mm。金屬網(wǎng)為10#鐵絲編織，金屬網(wǎng)搭接

100 mm。

（2）鎖梁錨索、鎖腿錨桿。幫部采用兩道鎖腿梁補強支護，距底板以上700 mm、1500 mm 位置各一道；錨桿采用GM22/2600-490 高強螺紋錨桿，間排距550 mm×1000 mm。頂部采用兩道錨索補強支護，巷道采用注漿錨索，錨索型號Φ22 m×9.5 m，間排距3600 mm×1000 mm；注漿錨索采用規(guī)格為Φ25 mm×9300 mm 中空注漿錨，排距1100 mm，注漿材料為水泥漿，水灰比為0.6。

（3）注漿錨桿。巷道沿空側(cè)采用噴漿+注漿管理。注漿錨桿采用2500 mm 自轉(zhuǎn)式注漿錨桿，注漿錨桿間排距1500 mm×1500 mm，噴厚不小于100 mm。注漿材料同頂板注漿錨索。

具體巷道支護斷面如圖4。

圖4 8106 風巷支護方式斷面圖

3.2 效果分析

8106 風巷沿空掘巷期間，在巷道掘進迎頭采用十字布點法進行圍巖變形量監(jiān)測分析，根據(jù)觀測數(shù)據(jù)繪制得出圍巖變形曲線如圖5。

分析圖5 可知，8106 風巷沿空掘巷期間，巷道頂?shù)装寮皟蓭妥冃瘟恐饕霈F(xiàn)在巷道掘出后0～15 d內(nèi)；當巷道掘出時間大于15 d 后，圍巖變形速率大幅降低，圍巖變形量逐漸趨于穩(wěn)定；當巷道掘出的30 d 后，頂?shù)装寮皟蓭鸵平炕静辉侔l(fā)生變化。最終頂?shù)装寮皟蓭妥冃瘟康淖畲笾捣謩e為121 mm和179 mm。綜合上述分析可知，8106 風巷在5 m護巷煤柱和現(xiàn)有支護方案下，掘巷期間圍巖處于穩(wěn)定狀態(tài)，滿足回采巷道的使用要求。

圖5 沿空掘巷期間圍巖變形曲線圖

4 結(jié)論

根據(jù)8106 風巷的地質(zhì)及賦存特征，通過數(shù)值模擬軟件進行沿空掘巷期間合理護巷煤柱寬度的分析，確定8106 風巷沿空掘巷期間的合理煤柱寬度為5 m?；跀?shù)值模擬結(jié)果，設計巷道采用U 型棚+鎖梁錨索、鎖腿錨桿+注漿錨桿、錨索的支護方案。根據(jù)巷道掘進期間的圍巖變形監(jiān)測數(shù)據(jù)可知，沿空掘巷期間圍巖處于穩(wěn)定狀態(tài)，滿足回采巷道使用要求。