新元礦3411工作面沿空留巷技術(shù)研究

董少慧

（山西新元煤炭有限責(zé)任公司，山西 晉中 045400）

1 工程概況

陽煤集團(tuán)新元煤礦位于山西省陽泉市。3405工作面位于新元煤礦一水平4 采區(qū)，工作面標(biāo)高+612.8～+717.4 m，埋藏深度366.0～438.7 m。工作面走向長240 m，工作面傾斜長1 825 m。3405 工作面主采3#煤層，3#煤層賦存穩(wěn)定，結(jié)構(gòu)簡單，屬中灰、低硫的優(yōu)質(zhì)貧瘦煤，煤層以亮煤為主，內(nèi)生裂隙發(fā)育，煤層中含1-2 層泥質(zhì)夾矸，厚度一般為0.02～0.10 m。煤層平均厚度2.05 m；偽頂為泥巖，平均厚度0.20 m；直接頂為砂質(zhì)泥巖，平均厚度2.20 m；老頂為中砂巖，平均厚度10.80 m；直接底為炭質(zhì)泥巖，平均厚度0.67 m；老底為細(xì)砂巖，平均厚度2.32 m。3#煤層綜合柱狀如圖1所示。

圖1 綜合柱狀圖

2 留巷支護(hù)方案

2.1 留巷前支護(hù)

3405 回風(fēng)巷為矩形巷道，斷面尺寸為寬×高=4.8 m×2.2 m，采用錨桿(索)+金屬網(wǎng)的聯(lián)合支護(hù)方式維護(hù)巷道圍巖穩(wěn)定，留巷前支護(hù)方案如圖2所示： 錨桿選用Φ 18 mm×2 000 mm 的螺紋鋼錨桿，頂板布置6 根錨桿，間排距為850 mm×1 000 mm；在巷道頂板中部布置2 根Φ 17.8 mm×6 500 mm的錨索，間排距為1 000 mm×2 000 mm。巷道兩幫各布置3 根錨桿，間排距為1 000 mm×1 000 mm，鋪設(shè)網(wǎng)格為150 mm×150 mm 的金屬網(wǎng)。

圖2 留巷前支護(hù)方案

2.2 留巷后支護(hù)

（1）補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)方案

由于留巷要經(jīng)受多次采動影響，為保證留巷在二次回采期間巷道圍巖的穩(wěn)定，需對3405 回風(fēng)巷進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)[1-2]。為了防止采空區(qū)側(cè)頂板巖層失穩(wěn)，在距離巷道上幫300 mm 位置補(bǔ)打1 根Φ 17.8 mm×6 500 mm 的錨索，排距為2 000 mm。巷道下幫在地質(zhì)構(gòu)造段等壓力大的位置，可局部補(bǔ)打錨桿進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)。留巷后支護(hù)方案如圖3所示。

圖3 留巷后支護(hù)方案

（2）巷旁充填支護(hù)方案

結(jié)合實(shí)際并借鑒相鄰礦井的成功經(jīng)驗(yàn)，3405回風(fēng)巷選用C30 混凝土進(jìn)行巷旁充填[3-5]，充填體寬度設(shè)計為1 000 mm。為有效防止巷旁充填體變形，在充填體內(nèi)布置3 根Φ 20 mm×1 000 mm的螺紋鋼錨桿，巷旁充填體尺寸及錨桿支護(hù)參數(shù)如圖4所示。

圖4 充填體尺寸及錨桿布置

3 留巷數(shù)值模擬分析

借助FLAC3D數(shù)值模擬軟件，建立數(shù)值模型，對工作面回采留巷圍巖應(yīng)力及位移進(jìn)行分析，并對補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)效果進(jìn)行評價。3405 工作面頂?shù)装鍘r層力學(xué)參數(shù)如表1所示，分別模擬充填體寬度為1.2 m、1.0 m 及0.8 m 條件下，留巷圍巖變形及應(yīng)力分布情況。

表1 工作面頂?shù)装鍘r層力學(xué)參數(shù)

（1）充填體寬度為1.2 m

3405 工作面巷旁充填體寬度為1.2 m 時，留巷圍巖應(yīng)力及變形情況如圖5所示。

圖5 留巷支護(hù)模擬效果

圖5中當(dāng)充填體寬度為1.2 m 時，在錨桿(索)補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)及充填體的支護(hù)條件下，巷道圍巖所受垂直應(yīng)力最大值為6 MPa，下幫肩角位置剪應(yīng)力為2.5 MPa；巷道頂?shù)装逡平孔畲笾禐?50 mm，巷旁充填體水平位移最大值為35 mm，下幫實(shí)體煤側(cè)錨桿水平位移最大值為30 mm，垂直位移最大值為15 mm。巷道頂板巖層呈現(xiàn)不均勻變形特征，采空區(qū)側(cè)頂板下沉量較大，而實(shí)體煤側(cè)下沉量較小，采空區(qū)側(cè)巷旁充填處頂板下沉量最大值為157 mm，錨索錨固端水平位移最大值約為10 mm，尾端位移量約為30 mm?？傮w來看，巷道圍巖變形量較小，可以滿足現(xiàn)場需要求。

（2）充填體寬度為1.0 m

3405 工作面巷旁充填體寬度為1.0 m 時，留巷圍巖應(yīng)力及變形情況如圖6所示。

圖6中當(dāng)充填體寬度為1.0 m 時，在錨桿(索)補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)及充填體的支護(hù)條件下，巷道圍巖所受垂直應(yīng)力最大值為8 MPa，下幫肩角位置剪應(yīng)力為8 MPa；巷道頂?shù)装逡平孔畲笾禐?50 mm，巷旁充填體水平位移最大值為85 mm，下幫實(shí)體煤側(cè)錨桿水平位移最大值為50 mm，垂直位移最大值為25 mm。巷道頂板巖層呈現(xiàn)不均勻變形特征，采空區(qū)側(cè)頂板下沉量較大，而實(shí)體煤側(cè)下沉量較小，采空區(qū)側(cè)巷旁充填處頂板下沉量最大值為218 mm，錨索錨固端水平位移最大值約為10 mm，尾端位移量約為35 mm?？傮w來看，巷道圍巖穩(wěn)定性較好，也可以滿足現(xiàn)場要求。

圖6 留巷支護(hù)模擬效果

（3）充填體寬度為0.8 m

3405 工作面巷旁充填體寬度為0.8 m 時，留巷圍巖應(yīng)力及變形情況如圖7所示。

圖7 留巷支護(hù)模擬效果

圖7中當(dāng)充填體寬度為0.8 m 時，在錨桿(索)補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)及充填體的支護(hù)條件下，巷道圍巖所受垂直應(yīng)力最大值為12 MPa，下幫肩角位置剪應(yīng)力為9.7 MPa；巷道頂?shù)装逡平孔畲笾禐?60 mm，巷旁充填體水平位移最大值為94 mm，下幫實(shí)體煤側(cè)錨桿水平位移最大值為60 mm，垂直位移最大值為35 mm。巷道頂板巖層呈現(xiàn)不均勻變形特征，采空區(qū)側(cè)頂板下沉量較大，而實(shí)體煤側(cè)下沉量較小，采空區(qū)側(cè)巷旁充填處頂板下沉量最大值為316 mm，錨索錨固端水平位移最大值約為40 mm，尾端位移量約為90 mm。總體來看，巷道圍巖變形量較大，且巷道圍巖應(yīng)力較大，留巷二次復(fù)用期間，在多次擾動條件下易導(dǎo)致巷道圍巖失穩(wěn)。

綜上所述，巷旁充填體為1.2 m 和1.0 m 時，留巷圍巖穩(wěn)定性較好，能夠滿足現(xiàn)場要求，綜合考慮經(jīng)濟(jì)成本，確定巷旁充填體寬度為1 000 mm。

4 現(xiàn)場驗(yàn)證

為驗(yàn)證留巷支護(hù)設(shè)計的合理性，在距離工作面100 m 范圍內(nèi)，每隔50 m 布置一個監(jiān)測點(diǎn)，對巷道圍巖進(jìn)行現(xiàn)場監(jiān)測，巷道變形量監(jiān)測曲線如圖8所示，錨桿(索)受力監(jiān)測曲線如圖9所示。

圖8 巷道變形量監(jiān)測曲線

圖9 錨桿(索)受力監(jiān)測曲線

圖8中留巷頂板巖層呈現(xiàn)充填體位置變形量大于實(shí)體煤側(cè)的特點(diǎn)，兩個監(jiān)測頂板下沉量最大值分別為140 mm 和213 mm，兩幫移近量最大值分別為41 mm 和62 mm。

圖9中滯后工作面100 m 范圍內(nèi)時，此時采場上覆巖層并未穩(wěn)定，因此錨桿(索)所受荷載增大明顯，其中頂板錨索所受荷載最大值為141 MPa，巷旁充填體錨桿所受荷載最大值為113 MPa。滯后工作面100 m 范圍以外時，采場上覆巖層逐漸趨于穩(wěn)定，因此巷道錨桿(索)所受荷載也逐漸趨于穩(wěn)定。

現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示，巷道圍巖變形量較小。

5 結(jié)語

通過數(shù)值模擬理論分析等方法，擬定3405 回風(fēng)巷選用C30 混凝土進(jìn)行巷旁充填，充填體寬度為1 000 mm，在充填體內(nèi)布置3 根Φ20 mm×1 000 mm 的螺紋鋼錨桿； 為防止采空區(qū)側(cè)頂板巖層失穩(wěn)，在距離巷道上幫300 mm 位置補(bǔ)打一根Φ17.8 mm×6 500 mm 的錨索，排距為2 000 mm；通過現(xiàn)場試驗(yàn)，工作面回采后巷道圍巖變形量較小，且沒有明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)象，能滿足現(xiàn)場要求。