東周窯煤礦8103工作面護巷煤柱寬度分析及支護技術(shù)應(yīng)用

劉振華

（晉能控股煤業(yè)集團同發(fā)東周窯煤業(yè)有限公司，山西 大同 037100）

1 工程概況

東周窯煤礦8103工作面井下位于5#層一盤區(qū)，工作面開采C5#煤層，煤層平均厚度為4.0 m，平均傾角為5°，煤層內(nèi)平均含有兩層夾矸，煤層節(jié)理裂隙發(fā)育，煤層頂板巖層為泥巖和砂巖，底板巖層為泥巖和細砂巖。8103工作面采用綜放頂煤開采。5103巷為8103工作面的回風巷，巷道設(shè)計沿煤層底板掘進，掘進寬度×高度=5.0 m×3.8 m。現(xiàn)為充分保障巷道掘進期間圍巖的穩(wěn)定，特進行巷道掘進期間護巷煤柱寬度及支護方案的設(shè)計分析。

2 護巷煤柱寬度分析

為確定5103巷合理的護巷煤柱寬度，根據(jù)彈塑性力學理論，結(jié)合實際生產(chǎn)條件，推導計算工作面采空區(qū)穩(wěn)定后側(cè)向支承壓力分布情況，側(cè)向支承壓力峰值距離采空區(qū)的位置（塑性區(qū)寬度），為工作面小煤柱巷道的布置提供理論依據(jù)。建立煤柱塑性區(qū)寬度的計算模型如圖1，為方便研究分析，模型中假設(shè)所有巖體為彈塑性體，煤體的破壞滿足摩爾-庫倫準則[1-3]。圖中M為煤層開采厚度，σx和σy分別為水平應(yīng)力和垂直應(yīng)力，x1為極限平衡區(qū)寬度，σy1為垂直應(yīng)力峰值，α為煤層傾角，Px為采空區(qū)對煤柱的水平約束力，τxy為煤層與巖層間剪應(yīng)力。

圖1 煤柱塑性區(qū)寬度計算力學模型圖

基于煤柱塑性區(qū)寬度力學模型，推導出采空區(qū)側(cè)向支承壓力峰值距采空區(qū)距離表達式為[4-5]:

對于傾角小的煤層，可近似將α取為0°，能夠進一步得出：

式中：β為側(cè)壓系數(shù)；σ為最大或最小水平主應(yīng)力；φ0為煤層界面內(nèi)的內(nèi)摩擦角；C0為煤層界面中的黏聚力；其余符號含義同上。根據(jù)礦井地質(zhì)資料及相關(guān)研究報告中的數(shù)據(jù)，取Px=0、C0=2 MPa、φ0=28°，分別取β=0.9、1.8，計算出不同側(cè)壓系數(shù)下煤厚4～8 m時的應(yīng)力降低區(qū)范圍如圖2。

圖2 不同開采厚度時側(cè)向支承應(yīng)力降低區(qū)距離

從圖2看出，β=1.9時，開采厚度分別為4 m、5 m、6 m、7 m、8 m時的應(yīng)力降低區(qū)范圍分別為5.2 m、7.1 m、9.0 m、10.9 m、12.8 m。β=0.8時，開采厚度分別為4 m、5 m、6 m、7 m、8 m時的應(yīng)力降低區(qū)范圍分別為7.8 m、8.6 m、9.4 m、10.2 m、11.0 m。基于上述分析可知，側(cè)向支承壓力的峰值隨著采厚的增大呈現(xiàn)出逐漸向深部煤體轉(zhuǎn)移的趨勢。基于8103工作面煤厚平均為4 m，得出應(yīng)力降低區(qū)范圍為5.2～7.8 m。

基于5103巷道設(shè)計的掘進寬度為5 m，為確保巷道布置在應(yīng)力降低區(qū)內(nèi)，盡可能地提高煤炭資源回收率，同時考慮到相鄰工作面位于小煤柱中的硐室較多，避免小煤柱巷道與采空區(qū)出現(xiàn)打通現(xiàn)象，故綜合確定煤柱寬度為6 m。

3 支護方案及效果

3.1 支護方案

根據(jù)5103巷賦存特征，結(jié)合護巷煤柱寬度分析結(jié)果，設(shè)計巷道錨網(wǎng)索支護方案，考慮到煤層松軟破碎，設(shè)計巷道采用頂幫協(xié)同支護[6-7]，具體支護方案如下：

（1）頂板支護。錨桿采用Φ22 mm×2400 mm的螺紋鋼錨桿，間排距為900 mm×1000/2000 mm，頂板布置6根錨桿，錨桿間采用W型鋼帶連接，錨桿托盤為150 mm×150 mm×10 mm蝶形托盤。W型鋼帶及金屬網(wǎng)護表，W型鋼帶為4800 mm×280 mm×3 mm。

頂 板 錨 索 采 用Φ17.8 mm-1×7-6300 mm鋼絞線，每隔2排錨桿打一排錨索，間排距為900 mm×3000 mm，與頂板垂直布置，托盤為220 mm×200 mm×12 mm異形托盤（與JW鋼帶配套），錨索吊JW型高強度鋼帶及金屬網(wǎng)護表，JW型鋼帶為4800 mm×330 mm×6 mm。頂板兩頂角位置處布置2根規(guī)格為Φ17.8 mm-1×7-5300 mm鋼絞線錨索，排距為2000 mm，以充分控制頂角區(qū)域的變形。

（2）小煤柱幫支護。錨桿規(guī)格同頂板，間排距1000 mm×1000 mm，錨桿采用150 mm×150 mm×10 mm的蝶形托盤，幫頂和幫底錨桿分別與巷幫成15°和10°向上和向下布置，采用W型鋼護板（450 mm×280 mm×3 mm）及金屬網(wǎng)護表（50 mm×50 mm）。

（3）采煤幫支護。錨桿布置參數(shù)同小煤柱幫，巷道支護時中間2根錨桿交替換成錨索，錨索規(guī)格為Φ17.8 mm-1×7-4300 mm，排距2000 mm，托盤為300 mm×300 mm×14 mm的拱型預應(yīng)力鐵托板，垂直巷幫。

（4）錨固長度及預緊力。錨桿錨固采用加長錨固，采用兩支樹脂藥卷（MSK2335，+MSZ2360），預緊力矩不小于400 N·m，錨固力要求不低于190 kN。頂板錨索采用端頭錨固，采用三支樹脂藥卷，一支MSK2335，兩支為MSZ2360，藥卷從上到下先快速，后中速。要求錨索預應(yīng)力不低于210 kN，錨固力不低于320 kN，頂錨桿錨固長度900 mm，幫錨桿錨固長度600 mm，錨索錨固長度1500 mm。

具體5103巷掘進期間支護方案如圖3。

圖3 5103巷支護布置方式圖（mm）

3.2 效果分析

5103巷掘進期間，每間隔50 m布置一組礦壓監(jiān)測站，隨著掘進作業(yè)的進行，持續(xù)對巷道圍巖變形量和錨桿索受力狀態(tài)進行監(jiān)測?，F(xiàn)選取1#礦壓監(jiān)測站的監(jiān)測數(shù)據(jù)進行具體分析。

（1）圍巖變形量。根據(jù)1#測站圍巖變形量的監(jiān)測得出圍巖變形曲線如圖4。

圖4 巷道掘進期間1#測站圍巖變形曲線圖

分析圖4可知，巷道在現(xiàn)有支護方案下，頂?shù)装寮皟蓭偷淖冃嗡俾适冀K處于較低的水平。巷道圍巖較為松軟，故而巷道圍巖變形時間較長，但圍巖整體變形量小，觀測期間內(nèi)頂板下沉量、左幫和右?guī)鸵平康淖畲笾禐?5 mm、55 mm和67 mm?；谏鲜龇治隹芍锏涝诂F(xiàn)有護巷煤柱和支護方案下，圍巖處于穩(wěn)定狀態(tài)，變形量滿足使用要求。

（2）錨桿索受力情況。1#測站錨桿錨索受力曲線如圖5。

圖5 巷道掘進期間1#測站錨桿索受力曲線圖

通過錨桿錨索的受力狀況變化可以看出：

① 1#測站幫錨索預緊力設(shè)計要求為180 kN（31 MPa），現(xiàn)場采用YCD18-350型張拉千斤頂，張拉系數(shù)為5.83。由于煤壁較軟以及預應(yīng)力損失，幫錨索獲得初始預緊力在50～100 kN范圍之間，平均值約75 kN。掘進初期幫錨索受掘進影響受力變化較大，之后幫錨索受力變化幅度趨為穩(wěn)定，最終幫錨索工作阻力保持在90～150 kN范圍之間，平均值為130 kN。

② 1#測站幫錨桿預緊力力矩為設(shè)計要求的400 N·m，現(xiàn)場采用8倍扭矩倍增器進行預緊，幫錨桿獲得初始預緊力在45～82.5 kN范圍之間，平均值約63.5 kN。掘進初期幫錨桿受掘進影響受力變化較大，之后錨桿受力變化幅度較為穩(wěn)定，幫錨桿工作阻力保持在88～90 kN范圍之間，平均值為89 kN。

③ 1#測站頂錨索預緊力為設(shè)計要求的290 kN（51 MPa），現(xiàn)場采用型號為YCD22-370型張拉千斤頂，張拉系數(shù)為6.26，現(xiàn)場操作要求達到46 MPa以上。1#測站錨索監(jiān)測數(shù)據(jù)表明，頂錨索初始預緊力損失之后初始受力達到160～195 kN之間，平均值為175 kN，掘進初期受掘進影響波動較大，

之后錨索受力值一直保持穩(wěn)定，最終頂錨索受力保持在140～230 kN之間，平均值為185 kN。

綜合上述分析可知，巷道掘進期間錨桿索受力均處于正常狀態(tài)，錨桿索均起到其主動支護的效果，保障了巷道掘進期間圍巖的穩(wěn)定。

4 結(jié)論

根據(jù)8103工作面的賦存情況，基于煤柱塑性區(qū)寬度的計算模型推導計算得出側(cè)向支承壓力的降低區(qū)范圍為5.2～7.8 m，確定煤柱寬度為6 m，設(shè)計巷道采用頂幫協(xié)同的錨網(wǎng)索支護方案。6 m護巷煤柱和現(xiàn)有錨網(wǎng)索支護方案，保障了圍巖的穩(wěn)定。