小窯頭礦復(fù)合頂板窄煤柱護(hù)巷技術(shù)研究與實(shí)踐

呼誠(chéng)事

（晉能控股煤業(yè)集團(tuán)小窯頭煤業(yè)有限公司，山西 大同 038200）

0 引 言

工作面回采巷道布置一般有沿空掘巷和沿空留巷2 種方式，傳統(tǒng)的沿空掘巷留設(shè)較寬的煤柱，保證巷道位于上工作面回采影響范圍之外，造成嚴(yán)重的資源浪費(fèi)。為此，近年來，窄煤柱護(hù)巷成為普遍采用的沿空掘巷方式[1-3]。山西煤炭運(yùn)銷集團(tuán)小窯頭礦13號(hào)煤區(qū)段保護(hù)煤柱的寬度為30 m，為提高煤炭資源的回收率，推廣應(yīng)用窄煤柱護(hù)巷技術(shù)。該煤層直接頂板為砂質(zhì)泥巖、炭質(zhì)泥巖等互層組成的復(fù)合頂板，相變較大，巷道掘進(jìn)后頂板下沉大，極易產(chǎn)生離層破壞。因此，開展復(fù)合頂板窄煤柱護(hù)巷技術(shù)研究對(duì)保證巷道穩(wěn)定，實(shí)現(xiàn)安全生產(chǎn)具有重要意義。

1 試驗(yàn)工作面概況

小窯頭礦13 號(hào)煤層厚度在1.8～2.6 m 之間，平均煤厚2.2 m，傾角2°～5°，平均3°。經(jīng)試驗(yàn)測(cè)定，煤的普氏系數(shù)僅為0.54，屬于極軟煤層，煤層頂?shù)装鍘r性如圖1 所示。

瓦斯相對(duì)涌出量2.64 m3/t，絕對(duì)瓦斯涌出量0.20 m3/min，為低瓦斯礦井。煤塵有爆炸危險(xiǎn)，自燃傾向等級(jí)為I 類，容易自燃，最短自然發(fā)火期為50d。

圖1 13 號(hào)煤頂?shù)装鍘r性

小窯頭煤業(yè)21305 運(yùn)輸順槽沿13 號(hào)煤頂板掘進(jìn)，巷道斷面為4.6 m×2.6 m，采用錨網(wǎng)索支護(hù)，擬進(jìn)行窄煤柱護(hù)巷的工業(yè)性試驗(yàn)。

2 巷道破壞形式及控制機(jī)理

2.1 復(fù)合頂板破壞形式

由圖1 可以看出，13 號(hào)煤頂板多種巖性互層，為復(fù)合頂板，對(duì)巷道的穩(wěn)定性產(chǎn)生較大影響。對(duì)該類頂板，其破壞過程可分為3 個(gè)階段：

1）層間滑動(dòng)階段。巷道掘進(jìn)之前，巷道頂板巖層是一個(gè)整體，共同承載上覆巖層的載荷。隨著巷道的掘進(jìn)，上覆巖層內(nèi)平巷狀態(tài)被打破，在原巖應(yīng)力和掘進(jìn)擾動(dòng)應(yīng)力的影響下，巷道頂板內(nèi)的裂隙逐漸發(fā)育并貫通，復(fù)合頂板的不同巖性之間產(chǎn)生層間滑動(dòng)，由于13 號(hào)煤巷道的寬度大于復(fù)合頂板巖層的厚度，整個(gè)巷道寬度范圍內(nèi)的頂板巖層均有可能發(fā)生錯(cuò)動(dòng)。

2）層間離層階段。巷道頂板巖層之間產(chǎn)生滑動(dòng)，應(yīng)力狀態(tài)改變，如果不能達(dá)到新的平衡，則層間的滑移量逐漸增大，才巷道中間開始，頂板巖層逐漸開始產(chǎn)生縱向變形，由于復(fù)合頂板各巖層之間的運(yùn)動(dòng)不一致，下位巖層的速度相對(duì)較大，頂板巖層之間逐漸形成離層。

3）下沉破壞階段。隨著離層值的增大，當(dāng)下位巖層內(nèi)的拉應(yīng)力超過巖體的抗拉強(qiáng)度時(shí)，巖層發(fā)生張拉破壞。從巷道頂板淺部向上，離層值逐漸減小，巖層的懸空距離也變小。在無支護(hù)條件下，巖層從淺部開始，逐層向上垮落，冒落的空間為梯形，如圖2 所示。

圖2 復(fù)合巷道頂板冒落狀態(tài)

2.2 軟弱煤幫破壞形式

21305 運(yùn)輸順槽兩幫為極軟煤體，強(qiáng)度低、自穩(wěn)能力差，巷道掘進(jìn)后煤體內(nèi)的裂隙不斷發(fā)育，將其切割為塊體，如果支護(hù)不及時(shí)或支護(hù)強(qiáng)度不足，則極易產(chǎn)生片幫失穩(wěn)現(xiàn)象?，F(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)發(fā)現(xiàn)，主要有2 種片幫破壞形式：

1）滑落式片幫。受掘進(jìn)擾動(dòng)的影響，如果煤體的破碎程度相對(duì)較低，仍具有一定的完整性，則在重力或回采應(yīng)力的影響下，煤壁將發(fā)生剪切滑移式片幫?；平铅?的大小與煤體的內(nèi)摩擦力有關(guān)，最大片幫深度與巷道的高度M 和煤層的自然安息角α 有關(guān)。

2）劈裂式片幫。如果煤體內(nèi)垂直于層理的裂隙發(fā)育程度較高，巷道掘進(jìn)后煤體失去了橫向的約束，由三向應(yīng)力狀態(tài)變?yōu)殡p向應(yīng)力狀態(tài)，則煤體會(huì)有向巷道內(nèi)鼓出的趨勢(shì)，從而產(chǎn)生壓裂式破壞。壓裂式片幫的深度與巷道高度以及裂隙的發(fā)育、分布狀態(tài)有關(guān)。

圖3 極軟煤層片幫形式

2.3 控制措施

由巷道頂板及兩幫的破壞形式可以看出，對(duì)21305 運(yùn)輸順槽的巷道支護(hù)應(yīng)該頂幫并重，支護(hù)措施為：

1）采用高強(qiáng)錨桿支護(hù)系統(tǒng)。小窯頭礦當(dāng)前采用的螺紋鋼錨桿屈服強(qiáng)度335 MPa，抗拉強(qiáng)度490 MPa，錨桿排之間采用的是鋼筋梯子梁連接，對(duì)頂板和兩幫的控制效果有限。采用高強(qiáng)度桿體可提高屈服強(qiáng)度，高強(qiáng)度托盤等附件可以承受更高的預(yù)緊力，對(duì)巷道的控制效果更好。

2）提高錨索性能。小窯頭礦采用的錨索為常規(guī)的1×7 結(jié)構(gòu)的φ15.2 mm 的鋼絞線制作，該錨索的拉斷載荷僅為260 kN，延伸率低于4%，其他工作面順槽支護(hù)中有拉斷現(xiàn)象，采用大直徑、高噸位錨索對(duì)復(fù)合頂板的支護(hù)效果更好。

3）提高預(yù)緊力。復(fù)合頂板各巖層之間的粘結(jié)力很小、早期支護(hù)不及時(shí)或支護(hù)力不足是造成頂板下沉甚至冒落的主要原因，對(duì)該類巷道頂板的支護(hù)應(yīng)提高預(yù)緊力。較高的預(yù)緊力可以提高整個(gè)復(fù)合頂板的整體性，避免發(fā)生層間錯(cuò)動(dòng)和離層，同時(shí)提高巖層之間的抗剪和抗拉能力，改善圍巖應(yīng)力場(chǎng)及上覆巖層的受力狀態(tài)，有利于巷道的穩(wěn)定。

4）加大錨固長(zhǎng)度。端頭錨固僅能對(duì)錨桿提供粘結(jié)力，能抵抗一定程度的拉力，同時(shí)由于間隙的存在，桿體與巖體無法同步受力，錨桿的抗剪能力只有在巖層發(fā)生錯(cuò)動(dòng)后才能充分發(fā)揮，具有一定的滯后性。加長(zhǎng)錨固可以在整個(gè)錨桿長(zhǎng)度范圍實(shí)現(xiàn)桿體與鉆孔壁的接觸，不存在空隙，同時(shí)可以對(duì)孔內(nèi)的節(jié)理、裂隙等進(jìn)行充填加固，將錨桿與巖體黏結(jié)到一起，同步承載，阻止巖層發(fā)生錯(cuò)動(dòng)。

3 煤柱寬度確定

3.1 理論計(jì)算

沿空掘巷的煤柱寬度應(yīng)當(dāng)保證錨桿索等支護(hù)體能有效錨固，預(yù)留一定的巷道變形，并有效隔絕采空區(qū)，同時(shí)使巷道處于側(cè)向支承壓力的降低區(qū)內(nèi)。在滿足以上要求的前提下，寬度盡可能小，以提高煤炭資源的回收率。運(yùn)用彈塑性和極限平衡理論建立如圖4 所示的力學(xué)模型[4-5]。

圖4 沿空掘巷煤柱寬度計(jì)算模型

沿空掘巷煤柱寬度X為：X=x1+x2+x3

式中：x1為上工作面?zhèn)认蛑С袎毫τ绊懛秶?，m；x2為本工作面巷道掘進(jìn)產(chǎn)生的塑性區(qū)范圍，m；x3為富余系數(shù)，一般取x3=0.2（x1+x2）。

工作面?zhèn)认蛑С袎毫τ绊懛秶途蜻M(jìn)塑性區(qū)寬度與工作面采高、巷道高度以及煤層本身的力學(xué)參數(shù)有關(guān)，根據(jù)小窯頭煤礦13 號(hào)煤的實(shí)際條件，代入可得，護(hù)巷煤柱的寬度為7.2 m。

3.2 數(shù)值模擬

根據(jù)理論計(jì)算結(jié)果，采用FLAC3D數(shù)值模擬軟件對(duì)6、7、8、9、10 m 5 種不同護(hù)巷煤柱寬度下的應(yīng)力場(chǎng)和位移場(chǎng)分布進(jìn)行對(duì)比分析。其中6、9 m 寬度時(shí)的水平應(yīng)力場(chǎng)分布如圖5 所示。

圖5 不同煤柱寬度下水平應(yīng)力分布云圖

由數(shù)值模擬結(jié)果可以看出，21305 運(yùn)輸順槽頂板的水平應(yīng)力集中程度較高，受影響較大，而兩幫和底板的應(yīng)力集中不明顯。隨著煤柱尺寸的增大，水平應(yīng)力集中程度及影響范圍呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢(shì)，當(dāng)煤柱寬度為8 m 時(shí)，應(yīng)力集中程度最小，并且影響范圍小。

結(jié)合垂直應(yīng)力和塑性區(qū)以及位移場(chǎng)的分析，綜合確定21305 運(yùn)輸順槽沿空掘巷的煤柱寬度為8.0 m。

4 沿空掘巷支護(hù)技術(shù)研究

4.1 數(shù)值模擬分析

利用建立的FLAC3D模型，通過分析不同錨桿長(zhǎng)度、不同直徑、不同間排距下的塑性區(qū)和巷道表面位移變化情況來確定支護(hù)參數(shù)。

以頂錨桿長(zhǎng)度為例，由數(shù)值模擬得出的不同不同頂錨桿長(zhǎng)度下巷道圍巖變形的最大值如圖所示。

圖6 頂板錨桿不同長(zhǎng)度圍巖變形特征

由圖可以看出，隨著錨桿長(zhǎng)度的增加，巷道表面變形逐漸減小。錨桿長(zhǎng)度由1.8 m 增加到2.6 m 時(shí)，巷道頂板下沉量由109 mm 降為48 mm，減沉效果較好。但錨桿長(zhǎng)度由2.4 m 增加到2.6 m 時(shí)，頂板下沉僅減小3 mm，底臌量和兩幫變形量類似，當(dāng)錨桿長(zhǎng)度超過2.4 m 以后，隨著長(zhǎng)度的增加，減沉效果不明顯。因此，確定最合理的頂錨桿為2.4 m。

4.2 方案確定

圖7 21305 運(yùn)輸順槽支護(hù)方案

在數(shù)值模擬的基礎(chǔ)上，結(jié)合礦井實(shí)際情況，確定21305 運(yùn)輸順槽沿空留巷的支護(hù)方案如圖7 所示。

4.2.1 頂板支護(hù)

1）錨桿支護(hù)。頂錨桿為φ22 mm×2 400 mm 的高強(qiáng)螺紋鋼錨桿，鋼材牌號(hào)為BHRB500，屈服強(qiáng)度為500 MPa，抗拉強(qiáng)度為670 MPa，采用2 卷CK2360樹脂藥卷加長(zhǎng)錨固。錨桿間距如圖7 所示，靠近兩幫的角錨桿向外傾斜15°，間距為900 mm，每排布置6 根錨桿，采用4 400 mm×220 mm×3.0 mm（長(zhǎng)×寬×厚）的W 鋼帶連接。頂錨桿的預(yù)緊扭矩不低于280 N·m。

2）錨索支護(hù)。頂錨索為單體錨索和桁架錨索交替布置，聯(lián)合支護(hù)，錨索布置在錨桿排中間，排距為900 mm。錨索的規(guī)格均為1×19 結(jié)構(gòu)，公稱直徑為22 mm。拉斷載荷為607 kN，延伸率為7 %，是原錨索拉斷力的2.3 倍，延伸率的2 倍。桁架錨索的長(zhǎng)度為8 400 mm，鉆孔深度7.0 m，跨距為2.0 m，每根錨索采用3 支CK2360 和2 支Z2360 的樹脂藥卷錨固，2 根錨索與豎直方向的夾角為25°，底部采用專用連接器連接到一起。單體錨索長(zhǎng)度為11 200 mm，均垂直于巷道頂板布置，間距為1 500 mm，每排布置3 根，采用槽鋼連接到一起。錨索初始張拉至200 kN，滯后迎頭不超過5 排。

4.2.2 巷幫支護(hù)

巷幫錨桿規(guī)格型號(hào)與頂錨桿相同，間排距為800 mm×900 mm，每排布置4 根，最上位錨桿向上傾斜15°，錨桿之間采用W 鋼帶連接。

幫錨桿為φ20 mm×2 000 mm 的高強(qiáng)螺紋鋼錨桿，配CK2360 和CK2335 各1 卷錨固，間排距為800 mm×900 mm，煤幫布置5 根，采用梯子梁連接。

錨索支護(hù)?；夭蓭湾^索為單體錨索，規(guī)格為φ17.8 mm×4 300 mm，鉆孔深度4 000 mm，采用3支CK2360 樹脂藥卷錨固，排距為1 800 mm。煤柱幫布置2 根，上位錨索距頂1 000 mm，錨索間距1 500 mm，2 根采用槽鋼連接到一起，排距1 800 mm。

4.3 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

21305 運(yùn)輸順槽掘進(jìn)過程中設(shè)置測(cè)站對(duì)巷道穩(wěn)定性進(jìn)行監(jiān)測(cè)。巷道表面位移監(jiān)測(cè)采用“十字測(cè)量法”，巷道頂板深部位移采用多點(diǎn)位移計(jì)，測(cè)點(diǎn)距巷道 表 面 的 距 離 分 別 為：1.0 、2.0 、3.0 、4.0 、5.0、6.0 m，間隔80 m 設(shè)置1 個(gè)，共設(shè)置5 個(gè)測(cè)站，其中3號(hào)測(cè)站的觀測(cè)結(jié)果如圖8 所示。

圖8 巷道變形觀測(cè)結(jié)果

由圖8（a）可以看出，巷道掘進(jìn)影響期為9 d，巷道頂板穩(wěn)定，下沉量較小，為46 mm，但底臌量相對(duì)較大，超過100 mm。煤柱幫變形明顯大于實(shí)體煤幫。此后，巷道變形速率逐漸減少，并在100 d 左右趨于穩(wěn)定，最終頂?shù)鬃冃瘟繛?12 mm，兩幫收斂量為326 mm。

由頂板深部離層位移計(jì)觀測(cè)結(jié)果可知，在觀測(cè)到6 m 頂板范圍內(nèi)，最終離層值為36 mm，各層位之間沒有觀測(cè)到明顯離層，為巷道頂板整體下沉。

5 結(jié) 論

1）21305 運(yùn)輸順槽頂板為復(fù)合頂板，破壞過程分為層間滑動(dòng)、層間離層和下沉破壞3 個(gè)階段。巷道兩幫為極軟煤層，片幫形式主要為滑落式和劈裂式。

2）采用高強(qiáng)錨桿桿體和附件、大噸位高延伸率錨索、提高預(yù)緊力、加大錨固長(zhǎng)度等是實(shí)現(xiàn)極軟煤層復(fù)合頂板巷道穩(wěn)定性的關(guān)鍵。

3）在力學(xué)模型的基礎(chǔ)上，通過數(shù)值模擬分析，得出沿空掘巷窄煤柱護(hù)巷的尺寸為8.0 m。

4）在數(shù)值模擬的基礎(chǔ)上，確定了錨桿長(zhǎng)度、直徑、間排距等關(guān)鍵支護(hù)參數(shù)，由此提出了21305 運(yùn)輸順槽窄煤柱護(hù)巷支護(hù)方案。

5）現(xiàn)場(chǎng)礦壓觀測(cè)表明，21305 運(yùn)輸順槽巷道頂板穩(wěn)定，下沉量較小，煤柱幫變形明顯大于實(shí)體煤幫，離層值為36 mm，為巷道頂板整體下沉。