煤礦窄煤柱沿空掘巷巷道圍巖控制技術研究

蘇國峰

(山西寧武張家溝煤業(yè)有限公司，山西 寧武 036700)

引 言

煤柱尺寸是影響巷道圍巖穩(wěn)定性的主要因素之一。煤柱尺寸的確定在巷道支護設計中具有重要意義。煤柱的荷載、煤柱的寬度和形狀以及煤柱和圍巖的力學特性決定了煤柱的穩(wěn)定性。增大寬度后可能損失更多的煤炭資源[1-2]。如果選擇較小的寬度，煤柱開裂影響安全開采，但回收的煤炭資源更多。煤的采收率與巷道變形之間存在矛盾。如何設計合理的煤柱尺寸是采礦工程中的一個難題[3-4]。

沿空掘巷掘進是地下開采巷道布置技術，沿空掘巷掘進支護的設計和施工往往是基于經(jīng)驗或工程類。因此，經(jīng)常出現(xiàn)巷道造價高問題。本文根據(jù)煤礦10416工作面沿空掘巷的具體地質(zhì)條件，對窄煤柱沿空巷掘進的圍巖變形特征進行了分析，得出了開采后巷掘進的時間和煤柱尺寸。在現(xiàn)場應用了相應的巷道圍巖控制技術，降低了支護和維護成本，也可用于其他巷道條件下。

1 工程背景

10416工作面是煤礦10414工作面的后繼工作面，工作面沿空掘巷開挖。10416工作面走向長度為1 160 m，傾角長度為180 m。圍巖物理力學參數(shù)如表1所示。

2 窄煤柱邊空巷掘進圍巖變形特征研究

沿空掘巷掘進使巷道置于固體煤和采空區(qū)中。如圖1所示，頂板崩落特征為工作面端面折線為圓弧，形成圓弧三角形塊體B。

表1 圍巖物理力學參數(shù)

圖1 沿空巷道與上覆巖體結構的關系

工作面開采時，原始平衡狀態(tài)將受到強烈影響，主頂板巖層會產(chǎn)生新的破壞，新開發(fā)的A塊與原有的弧形三角形B塊鉸接在一起。主頂板脫落后，關鍵塊體A、B由于彎矩M、M’處于松動狀態(tài)，在沿空巷道前方形成高支承壓力，如圖1所示。

沿采空區(qū)開挖過程中，根據(jù)10416工作面的地質(zhì)條件，主頂板穩(wěn)定圍巖變形較小。開采時，關鍵塊體A、C受動壓移動，鍵塊A、C的運動打破了平衡結構。巷道支護承載巖層的重量最終導致10416工作面尾巷變形較大。

3 開挖時間與煤柱尺寸

3.1 開挖時間

第一工作面采出后，巖層不穩(wěn)定圍巖變形控制非常困難。因此，研究合理的開挖時間對確定圍巖穩(wěn)定性具有重要意義。采空區(qū)主頂板崩落后，形成砌體梁。巷道上方主要頂板由砌體梁、矸石、巷道支架和實煤支撐，可簡化為鉸接支座。結構模型如圖2所示，頂板達到穩(wěn)定狀態(tài)的時間如式(1)所示。

(1)

式中，h為采動高度；kc為垮落巖的殘余膨脹系數(shù)；mz為直接頂高度；k碎石抗壓強度；qz巖梁上部荷載；m為主屋蓋的斷跨；E1主屋蓋彈性模量；g1黏性模量。10416工作面采深600 m。其他參數(shù)：ε=9.1×105，E1=2.16×1010Pa，g1=4：41×1013N·s/mm2，k=2.15×104kN，kc=1.05-1.15，qz=2.548×106N/m2，h1=8.45 m，h=3.1 m，mz=4.38 m，Lm=26.7 m。10416工作面回采后主頂板達到穩(wěn)定狀態(tài)的計算結果為82 d～103 d。

圖2 主頂板斷裂后的力學模型

3.2 煤柱尺寸

鏈柱的寬度直接影響巷道圍巖和煤柱的穩(wěn)定、煤的回收率。煤層與巖層接觸界面的巖層接觸界面的黏結力與極限強度、接觸界面的摩擦角等密切相關。如圖3所示，通過極限平衡區(qū)應力模型和極限平衡區(qū)寬度公式[公式(2)]，極限平衡區(qū)寬度表示為x1=1.69 m，破碎區(qū)和塑性區(qū)范圍分別為0.8 m、1.2 m，巷道破碎區(qū)范圍與塑性區(qū)范圍之和為2.1 m，錨桿長度大于2.0 m。如x2=2 m、x1=1.69 m、x3=0.2×(2+1.69)=0.74 m，煤柱合理寬度為B=x1+x2+x3=4.44 m。為便于工程施工并考慮一定的安全系數(shù)，10416工作面尾巷煤柱寬度設置為5 m。

(2)

4 巷道圍巖變形控制與密封技術

4.1 巷道圍巖變形控制技術

將“回采巷道圍巖穩(wěn)定性分級與支護決策系統(tǒng)”與理論計算結果相結合，10416工作面尾巷支護頂板螺栓參數(shù)為Φ22 mm×2 500 mm，間距為700 mm×800 mm，并采用不銹鋼絲網(wǎng)。絲網(wǎng)規(guī)格為1 200 mm×2 000 mm。螺栓扭矩應大于300 nm，錨固力應大于80 kN。M4鋼帶長度為4 300 mm；兩側螺栓規(guī)格為Φ20 mm×2 200 mm、650 mm×800 mm間距，鋪設塑料網(wǎng)、不銹鋼網(wǎng)，寬度1 200 mm，長度1 600 mm。M3鋼帶長度2 800 mm；每排布置間距1 500 mm×1 600 mm的兩根錨索加固頂板支護。錨索規(guī)格為Φ17.8 mm×6 300 mm，錨索架規(guī)格為400 mm×400 mm。預應力不小于100 kN，緊固力不小于200 kN。支撐圖如圖4所示。

圖3 極限平衡區(qū)的應力分析

圖4 巷道錨桿支護段

4.2 密封技術

本文采用密封技術防止煤層自燃、瓦斯事故等事故的發(fā)生。通過第152頁式(3)計算，漏風距離為0.86 m。在5 m煤柱中只有0.45 m煤柱對隔離起作用。因此采用封閉技術保證異常區(qū)域的影響。結合工程實踐，10416工作面尾巷采用注漿。

(3)

式中：L為漏風距離；K0為原巖體的滲透系數(shù)；F進口截面面積；Q單位巷道長度單位時間內(nèi)的風量；Sa單位巷道內(nèi)表面積；S是巷道面積。選用普通水泥作為灌漿材料。根據(jù)實驗室不同水灰比下注漿后巖石試件的強度，確定合適的水灰比。4種配比(0.5：1、0.75：1、1：1、1.5：1)的抗壓強度見表2。對比發(fā)現(xiàn)，當水灰比為0.75：1～1：1時料漿效果較好。

注漿壓力、淺孔注漿壓力、深孔注漿壓力分別控制在0.8 MPa～1.0 MPa、2.0 MPa～2.5 MPa、2.5 MPa～3.0 MPa范圍內(nèi)。注滿后漿液濃度應按照稀釋后再進行固化。在注入一定濃度的漿液時，在漿液不下降或壓力不升高時增加漿液濃度水平。如果灌漿壓力不斷增大，用封孔長度不小于300 mm的快硬化水泥封孔。在巷道兩側注漿區(qū)設置兩排注漿錨桿距離巷道底板分別為1 m和2 m的錨桿。注漿錨桿為空心鋼筋錨桿，幾何參數(shù)為Φ20 mm×2 000 mm。

表2 不同水灰比下的抗壓強度

5 結果分析

在開挖與開采過程中，位移隨著正面距離發(fā)生不同的變化，如圖5、圖6所示。在開挖期頂?shù)装遢椇厦孀畲笪灰茷?50 mm，兩邊最大位移為110 mm。尾礦庫圍巖移動可分為3個階段。第一個階段為距原始掘進頭25 m左右，巷道圍巖面位移迅速增加而周邊圍巖劇烈移動；第二階段為距離原始水頭25 m～53 m左右，巷道圍巖面位移逐漸減小并趨于穩(wěn)定而圍巖平穩(wěn)移動階段；第三階段為巷道圍巖表面位移較小而圍巖穩(wěn)定移動階段，即在53 m外遠離原始掘進頭。

開采期間，頂?shù)装遢椇洗笥趦蛇?，頂?shù)装遢椇献畲鬄?10 mm，最大位移為178 mm。在巷道變形較小時，窄煤柱沿空巷道也處于平衡狀態(tài)。因此，5 m煤柱及巷道支護方案的設計合理。尾巷圍巖移動可分為3個階段：第一階段為距工作面25 m左右，巷道圍巖面位移迅速增加而圍巖劇烈移動；第二階段為距離工作面約25 m～60 m，順圓巖層移動的平穩(wěn)階段巷道而圍巖面位移逐漸減小。第三階段為圍巖移動穩(wěn)定階段，巷道圍巖表面位移變化較小，即遠離工作面60 m以內(nèi)。

圖5 開挖過程中巷道表面位移曲線

圖6 開采過程中巷道地表位移曲線

6 結論

根據(jù)煤柱極限平衡帶的計算與工作面開采和窄煤柱沿空掘巷布局分析，10416工作面尾巷合理掘進時間為4個月，合理寬度為5 m，也可以確定10416工作面尾巷的錨固支護參數(shù)。經(jīng)現(xiàn)場試驗，其配套設計能滿足正常生產(chǎn)需要。