趙家山窄煤柱沿空掘巷巷道布置與支護(hù)設(shè)計(jì)

董傳寶 田 強(qiáng) 李金橋

（山西省太原市清徐縣趙家山煤業(yè)有限公司，山西 清徐 030400）

1 概況

2103 工作面回風(fēng)順槽位于2104 工作面采空區(qū)西側(cè)，該順槽范圍內(nèi)除X45、X46 陷落柱外，無大的斷層及陷落柱，地質(zhì)條件簡單，且陷落柱不導(dǎo)水。

2103 回風(fēng)順槽沿2 號煤層布置，全長1092 m，前381 m 利用2104 工作面運(yùn)輸順槽，中間20 m 作為聯(lián)絡(luò)巷，后691 m 作為沿空掘巷巷道。

2 號煤層煤厚0.99～2.73 m，平均2.14 m。頂板為砂質(zhì)泥巖或泥巖，局部為粉砂巖或中、細(xì)砂巖。底板為中、細(xì)粒砂巖、泥巖，局部為砂質(zhì)泥巖。

2 煤柱寬度優(yōu)化設(shè)計(jì)

運(yùn)用UDEC 數(shù)值模擬軟件[1-5]模擬2103 回風(fēng)順槽掘進(jìn)過程不同煤柱時(shí)的破壞變形情況，如圖1。

圖1 煤柱破壞變形曲線

由圖1 分析可知，隨著煤柱寬度增加，煤柱變形量呈先小后大的一個(gè)“V”型變化。當(dāng)2103 回風(fēng)順槽煤柱為3 m 時(shí)，煤柱破壞較為嚴(yán)重，煤體幫變形量達(dá)600 mm，煤柱幫變形量達(dá)400 mm；煤柱為5 m 時(shí)，煤體幫變形量約195 mm，煤柱幫變形量約220 mm；煤柱為8 m 時(shí)，煤體幫變形量約200 mm，煤柱幫變形量約500 mm；煤柱為15 m 時(shí)，煤體幫變形量約260 mm，煤柱幫變形量約580 mm。

根據(jù)以上分析，考慮到工作推采過程受超前壓力影響，以及掘進(jìn)過程中的施工問題，提高采掘施工期間的安全系數(shù)，確定2103 回風(fēng)順槽的煤柱寬度為8 m。

3 沿空掘巷巷道支護(hù)

3.1 錨桿支護(hù)參數(shù)數(shù)值分析

以趙家山礦現(xiàn)場生產(chǎn)地質(zhì)條件為基礎(chǔ)建立數(shù)值模擬模型，通過數(shù)值計(jì)算確定2103 回風(fēng)順槽錨桿長度、錨桿間排距等合理的支護(hù)參數(shù)。錨桿參數(shù)比較方案見表1。

表1 錨桿參數(shù)比較方案

3.1.1 錨桿長度的確定

錨桿長度是巷道支護(hù)的關(guān)鍵因素，錨桿長度應(yīng)能滿足錨固區(qū)內(nèi)足夠的承載能力。錨桿過長，對錨固力承載能力變化不大，錨桿過短，造成錨固長度不夠，影響巷道圍巖的穩(wěn)定性。根據(jù)趙家山礦目前使用的錨桿類別，選取直徑為20 mm 的錨桿，不同錨桿長度對2103 回風(fēng)順槽圍巖變形量見表2。

由表2 分析可知，2103 回風(fēng)順槽頂板及兩幫隨著錨桿長度的增加，巷道圍巖累計(jì)變形量減少，但底板基本沒有變形。錨桿長度由1.6 m 增加到2.0 m時(shí)巷道圍巖累計(jì)變形量變化較顯著，尤其是煤柱幫變形量；錨桿長度由2.0 m 增加到2.4 m 時(shí)巷道圍巖累計(jì)變形量幅度明顯趨緩。同時(shí)考慮經(jīng)濟(jì)和施工技術(shù)因素，確定2103 回風(fēng)順槽錨桿長度為2.0 m。

表2 2103 回風(fēng)順槽不同錨桿長度圍巖變形量

3.1.2 錨桿間排距的確定

根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際情況確定錨桿間距800 mm，根據(jù)此錨桿間距來選擇合理的錨桿排距。2103 回風(fēng)順槽錨桿排距與巷道圍巖累計(jì)變形關(guān)系見表3。

表3 2103 回風(fēng)順槽不同錨桿排距巷道圍巖變形量

由表3 分析可知，隨著錨桿排距的增加，巷道圍巖累計(jì)變形量呈增加趨勢，但增加的幅度不一樣。2103 回風(fēng)順槽錨桿排距由800 mm 增加到1200 mm時(shí)，頂板及兩幫圍巖累計(jì)變形量逐步增加。考慮煤柱的穩(wěn)定性及巷道變形量，設(shè)計(jì)2103 回風(fēng)順槽頂板及兩幫錨桿排距為800 mm。

3.2 錨索支護(hù)參數(shù)數(shù)值分析

3.2.1 錨索規(guī)格的確定

錨索規(guī)格直接影響錨索的強(qiáng)度，運(yùn)輸順槽服務(wù)期間將經(jīng)歷工作面動(dòng)壓影響，結(jié)合現(xiàn)場實(shí)際情況，選擇錨索直徑為Φ17.8 mm 鋼絞線錨索。

3.2.2 錨索長度的確定

錨索長度是錨桿支護(hù)系統(tǒng)中的重要支護(hù)參數(shù)之一，錨桿的作用是把淺層的頂板形成一個(gè)小整體，然后在這個(gè)錨桿支護(hù)區(qū)域內(nèi)再施工錨索固定，通過錨索將淺層的錨桿錨固圍巖與深層的穩(wěn)定圍巖形成一個(gè)大區(qū)域，使巷道頂板的巖體自我支撐，起到支護(hù)加固作用。同時(shí)，錨索長度不宜過長，否則錨索延伸量相應(yīng)也會(huì)增加，導(dǎo)致頂板離層空間較大，容易引起煤巖體發(fā)生軸向和橫向錯(cuò)動(dòng)剪斷支護(hù)體。

（1）煤柱幫錨索長度。在煤柱幫打錨索，錨索長度取值范圍為3300 mm、3800 mm、4300 mm、4800 mm。2103 回風(fēng)順槽實(shí)體煤幫錨索長度和巷道圍巖變形關(guān)系見表4。

分析表4 可知，錨索長度對巷道圍巖累計(jì)變形影響顯著。錨索長度從3.3 m 增加到4.3 m 時(shí)，頂板、實(shí)體煤幫和煤柱幫圍巖累計(jì)變形量顯著減小，尤其是頂板圍巖累計(jì)變形量從156 mm 減小到88 mm，減小了68 mm。底板圍巖累計(jì)變形量變化不明顯，略微增加。錨索長度從4.3 m 增加到4.8 m 時(shí)，巷道圍巖累計(jì)變形量變化不明顯，即錨索長度繼續(xù)增加后，圍巖控制效果并沒有繼續(xù)變好。考慮錨固體本身的穩(wěn)定性、承載能力及對巷道圍巖變形的控制效果，選擇2103 回風(fēng)順槽采空側(cè)幫錨索長度為4300 mm。

表4 2103 回風(fēng)順槽采空側(cè)幫不同錨索長度巷道圍巖變形量

（2）頂板錨索長度。頂板錨索長度取值范圍為5300 mm、6300 mm、7300 mm、8300 mm、9300 mm，2103 回風(fēng)順槽頂板錨索長度和巷道圍巖變形關(guān)系見表5。

表5 2103 回風(fēng)順槽煤板不同錨索長度巷道圍巖變形量

分析表5 可知，頂板及兩幫隨著錨索長度的增加巷道圍巖累計(jì)變形量減小，底板圍巖累計(jì)變形量基本無變化。2103 回風(fēng)順槽錨索長度由5.3 m 增加到8.3 m 時(shí)巷道圍巖累計(jì)變形量變化較顯著，尤其是煤柱幫變形量；錨索長度由8.3 m 增加到9.3 m 時(shí)依然減小，但是減小幅度減低?？紤]現(xiàn)場目前實(shí)際支護(hù)參數(shù)，選擇2103回風(fēng)順槽頂板錨索長度為8.3 m。

3.2.3 錨索間排距的確定

本設(shè)計(jì)通過FLAC3D數(shù)值計(jì)算軟件模擬不同錨索數(shù)量下圍巖變形特征。

（1）采空側(cè)煤幫錨索間排距確定

2103 回風(fēng)順槽幫錨索間距和巷道圍巖變形關(guān)系見表6。

分析表6 可知，錨索數(shù)量對巷道圍巖累計(jì)變形影響顯著。幫錨索從0 根增加到3 根，實(shí)體煤幫圍巖累計(jì)變形量從198 mm減小到126 mm，變化較為顯著。在錨索1 根時(shí)出現(xiàn)轉(zhuǎn)折點(diǎn)，考慮到對頂板和煤柱幫圍巖變形控制效果，并結(jié)合經(jīng)濟(jì)成本考慮，采空側(cè)幫錨索采用每排2 根布置方式，排距為1600 mm。

表6 2103 回風(fēng)順槽實(shí)體煤幫不同錨索數(shù)量巷道圍巖變形量

（2）頂板錨索間距

2103 回風(fēng)順槽頂板錨索間距和巷道圍巖變形關(guān)系見表7。

表7 2103 回風(fēng)順槽頂板不同錨索數(shù)量巷道圍巖變形量

分析表7 可知，錨索數(shù)量對巷道圍巖累計(jì)變形影響顯著。錨索從0 根增加到4 根，2103 回風(fēng)順槽頂板圍巖累計(jì)變形量從178 mm 減小到111 mm，減小了67 mm，變化較為顯著。錨索為1 到2 根時(shí)，圍巖變形速度出現(xiàn)轉(zhuǎn)折，隨著錨索的增加變形不大?？紤]到對頂板和煤柱幫圍巖變形控制效果，并結(jié)合經(jīng)濟(jì)成本及現(xiàn)場實(shí)際支護(hù)參數(shù)，2103 回風(fēng)順槽頂板布置3 根錨索，間距為1600 mm，排距為2400 mm。

4 結(jié)論

（1）趙家山煤業(yè)2 號煤層采用窄煤柱沿空掘巷巷道布置方式可提高煤炭資源回采率，增加礦井經(jīng)濟(jì)效益。

（2）2103 回風(fēng)順槽沿空掘巷段前90 m 位于X45、X46 陷落柱內(nèi)，90 m 至切眼段內(nèi)分布有一個(gè)X49 陷落柱及3 個(gè)斷距小于1 m 的小段層，總體地質(zhì)條件較為簡單，試驗(yàn)條件較好。

（3）通過理論計(jì)算，確定2103 回風(fēng)順槽的煤柱寬度為8 m。

（4）采用窄煤柱沿空掘巷巷道布置后，2103回風(fēng)順槽支護(hù)方案相應(yīng)調(diào)整，具體如下：錨桿規(guī)格不變，頂錨桿間排距由原來的750 mm×900 mm調(diào)整為750 mm×800 mm；在采空區(qū)側(cè)煤柱加增幫錨索，錨索規(guī)格為Ф17.8 mm×4300 mm，間排距1600 mm×1600 mm。其余支護(hù)參數(shù)不變。