下霍煤礦2305 回風(fēng)順槽小煤柱沿空掘巷圍巖控制技術(shù)研究

楊 潔

（山西三元煤業(yè)股份有限公司下霍煤礦，山西 長治 046000）

窄煤柱沿空掘巷作為一種在上區(qū)段工作面回采完畢覆巖穩(wěn)定后，沿上區(qū)段采空區(qū)邊緣留設(shè)寬度較小的煤柱掘進巷道的技術(shù)[1-3]，憑借可降低區(qū)段煤柱損失、提高煤炭回采率和有效隔絕上區(qū)段采空區(qū)等優(yōu)點，近年來在我國各大礦區(qū)得到廣泛應(yīng)用[4-6]。煤柱寬度和支護參數(shù)是沿空掘巷圍巖穩(wěn)定的關(guān)鍵影響因素，也是學(xué)者專家關(guān)注的焦點問題[7-8]。下霍煤礦以往區(qū)段煤柱留設(shè)寬度為20～30 m，煤柱損失高，采區(qū)回采率低，為提高回采率，決定對2305 回風(fēng)順槽采用留窄煤柱沿空掘巷的布置方式。2305 回風(fēng)順槽鄰近的2303 工作面已回采完畢且覆巖垮落穩(wěn)定，為確保沿空掘巷圍巖穩(wěn)定，采用理論計算、數(shù)值模擬和現(xiàn)場實測的方法確定了煤柱合理寬度為8 m，提出了“錨網(wǎng)索”+煤柱幫錨索補強支護方案并進行了參數(shù)設(shè)計，為類似工程地質(zhì)條件回采巷道采用沿空掘巷技術(shù)提供了借鑒。

1 工程概況

下霍煤礦3 號煤層厚度為3.68～5.33 m，平均厚度為4.80 m；傾角為0°～10°，平均傾角為5°；埋深為495～534 m，平均埋深為514 m。直接頂為厚2.75 m 的泥巖，基本頂為厚7.10 m 的細粉砂巖，直接底為厚1.12 m 的泥巖，基本底為厚3.40 m 的細粒砂巖。2305 回風(fēng)順槽位于3 號煤層二采區(qū)，設(shè)計長度為1884 m，采用矩形斷面，斷面尺寸為5600 mm×4000 mm（寬×高）。巷道東側(cè)為2303工作面采空區(qū)，西側(cè)為實體煤，南側(cè)為西翼回風(fēng)大巷，北為井田邊界。2305 回風(fēng)順槽布置情況如圖1。

圖1 巷道平面布置圖

2 沿空巷道小煤柱合理寬度理論分析

2.1 沿空圍巖結(jié)構(gòu)及變形特征分析

由弧形三角塊結(jié)構(gòu)力學(xué)模型知，沿空掘巷頂板覆巖弧形三角塊結(jié)構(gòu)如圖2[1,6]。由圖2 可知，隨著上區(qū)段工作面不斷推進，巷道采空區(qū)側(cè)頂板懸空長度逐漸增大，當頂板懸空長度達到極限垮距時發(fā)生“O-X”型破斷[3-5]。此時工作面端頭處破斷后的頂板懸露長度較短，形成懸臂梁結(jié)構(gòu)，受覆巖壓力等影響懸臂梁發(fā)生回轉(zhuǎn)、下沉，從而促使基本頂在側(cè)向煤體深部發(fā)生破斷而形成弧形三角塊體B?；⌒稳菈K體B 前后兩端分別與塊體A 和塊體C 鉸接，形成“三鉸拱”結(jié)構(gòu)[7-8]，即留小煤柱沿空掘巷的頂板大結(jié)構(gòu)，如圖3。

圖2 沿空掘巷頂板結(jié)構(gòu)示意圖

圖3 煤柱寬度計算模型

2.2 小煤柱合理寬度計算

留小煤柱沿空掘巷時，小煤柱先后受上區(qū)段工作面回采和本區(qū)段沿空巷道掘進擾動影響，在煤柱兩側(cè)均形成一定范圍的塑性破壞區(qū)。由極限平衡理論知，煤柱具備足夠承載能力且能保持穩(wěn)定的合理寬度為煤柱兩側(cè)允許有一定寬度的塑性破壞區(qū)X1和X3，且煤柱內(nèi)部同時具有一定寬度的彈性核區(qū)X2，即煤柱合理寬度B為其兩側(cè)塑性破壞區(qū)寬度與內(nèi)部彈性核區(qū)寬度之和，如圖3 所示。煤柱合理寬度可根據(jù)極限平衡經(jīng)驗公式計算[4-7]：

式中：X1為采空區(qū)側(cè)煤柱塑性破壞區(qū)寬度，m；X2為煤柱彈性核區(qū)寬度，m；X3為巷道側(cè)煤柱塑性破壞區(qū)寬度，即錨桿有效支護長度，取2.2 m；m為工作面采高，取4.80 m；A為側(cè)壓系數(shù)，取0.47；φ0為內(nèi)摩擦角，取30°；K為應(yīng)力集中系數(shù)，取1.2；γ為上覆巖層平均容重，取24.63 kN/m3；H為工作面埋深，取514 m；C0為內(nèi)聚力，取0.98 MPa；P0為支護阻力，取0。將數(shù)據(jù)分別帶入式（2）和式（3）解得X1=4.49，X2=1.00～2.34 m，進而帶入式（1）可求得煤柱合理寬度B=7.69～9.03 m。

3 小煤柱合理寬度數(shù)值模擬研究

3.1 模型建立及模擬方案

根據(jù)2305 回風(fēng)順槽實際工程地質(zhì)資料，利用FLAC3D數(shù)值模擬軟件建立尺寸為200 m×120 m×60 m（長×寬×高）的數(shù)值計算模型。采用摩爾-庫倫屈服準則，模型四周界面固定水平方向位移，底部界面固定垂直方向位移，上部界面施加12.66 MPa 均布載荷等效上覆巖層重力（按照埋深514 m，上覆巖層平均容重24.63 kN/m3計算）。煤層及頂?shù)装鍘r層物理力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 煤巖層物理力學(xué)參數(shù)

模擬方案：首先開挖2303 工作面，待2303 工作面開挖完畢且覆巖穩(wěn)定后，分別沿2303 采空區(qū)留設(shè)4 m、6 m、8 m、10 m 和12 m 窄煤柱開挖2305 回風(fēng)順槽，以分析不同煤柱寬度下煤柱內(nèi)垂直應(yīng)力及圍巖塑性區(qū)分布特征。

3.2 不同寬度煤柱內(nèi)垂直應(yīng)力分布特征

圖4 為不同寬度煤柱垂直應(yīng)力分布曲線。由圖4 可知，隨距采空區(qū)側(cè)煤壁距離增大，不同寬度煤柱內(nèi)垂直應(yīng)力均先快速增大后快速減小，且煤柱內(nèi)垂直應(yīng)力峰值隨煤柱寬度的增加而增大。當煤柱寬度為4 m、6 m 和8 m 時，煤柱內(nèi)垂直應(yīng)力峰值分別為12.91 MPa、19.60 MPa 和24.43 MPa，增長幅度分別為51.82%和24.64%；當煤柱寬度增大至10 m 和12 m 時，煤柱內(nèi)垂直應(yīng)力峰值分別為26.40 MPa 和27.38 MPa，增長幅度分別為8.06%和3.71%。由此可見，煤柱寬度由4 m 增加至8 m 時，垂直應(yīng)力峰值增長幅度較大，而煤柱寬度由8 m 增加至12 m 時，垂直應(yīng)力峰值增長幅度顯著減小。這是由于4 m 和6 m 寬的煤柱承載能力不足以承載上覆巖層載荷，而寬度達到8 m 的煤柱的承載能力足以承載上覆巖層載荷，故導(dǎo)致煤柱寬度繼續(xù)增大至10 m和12 m，煤柱內(nèi)垂直應(yīng)力峰值隨煤柱寬度的增大而增長幅度較小的現(xiàn)象。

圖4 不同寬度煤柱垂直應(yīng)力分布曲線

3.3 不同煤柱寬度下巷道圍巖表面位移分析

不同寬度煤柱下2305 回風(fēng)順槽圍巖表面位移量數(shù)值模擬結(jié)果如圖5 所示。由圖5 可知，巷道表面位移量隨煤柱寬度增大而減小，且煤柱寬度由4 m 增加至8 m 時，巷道表面位移量隨煤柱寬度增大時的減小幅度較大；而煤柱寬度由8 m 增加至12 m時，巷道表面位移量隨煤柱寬度增大僅小幅度減小。表明4 m 和6 m 寬的煤柱承載能力較弱，在上覆巖層載荷作用下發(fā)生大變形而破壞；而當煤柱寬度大于8 m 時，煤柱承載能力足以支撐上覆巖層載荷，穩(wěn)定性較好，對巷道維護的效果也更好。綜合考慮煤柱承載能力、煤炭回采率和礦山經(jīng)濟效益，2305回風(fēng)順槽進行沿空掘巷時，護巷小煤柱合理寬度為8 m。此外，不同煤柱寬度下巷道煤柱幫位移量均大于實體煤幫位移量，即沿空巷道具有非對稱變形特征，因此在對2305 回風(fēng)順槽進行支護方案設(shè)計時應(yīng)充分考慮巷道的非對稱變形特征。

圖5 不同煤柱寬度下巷道圍巖表面位移量

4 巷道支護設(shè)計及圍巖控制效果

4.1 巷道支護設(shè)計

結(jié)合下霍煤礦實際生產(chǎn)條件和2305 回風(fēng)順槽的非對稱變形特征，提出了“錨網(wǎng)索”+煤柱幫錨索補強支護方案，支護斷面如圖6，參數(shù)如下：

圖6 巷道支護斷面設(shè)計圖（mm）

（1）頂板支護。頂板錨桿選用Ф22 mm×2400 mm 螺紋鋼錨桿，間排距為950 mm×1000 mm，每根錨桿配合使用型號為MSK2335 和MSZ2360 的樹脂錨固劑各一支。頂板錨索選用Ф21.6 mm×7000 mm 高強鋼絞線錨索，間排距為1400 mm×100 mm，每根錨索配合使用一支MSK2335 和兩支MSZ2360 型的樹脂錨固劑。W 鋼帶規(guī)格為5000 mm×280 mm×3 mm（長×寬×厚），金屬網(wǎng)規(guī)格為6000 mm×1200 mm（長×寬）。

（2） 巷 幫 支 護。 兩 幫 錨 桿 均 選 用 規(guī) 格為Ф22 mm×2400 mm 螺紋鋼錨桿，間排距為900 mm×1000 mm，每根錨桿配合使用型號為MSK2335 和MSZ2360 的樹脂錨固劑各一支。兩幫均采用16#鋼筋加工制成的2900 mm×60 mm（長×寬）的鋼筋托梁，金屬網(wǎng)規(guī)格為2900 mm×1200 mm（長×寬）。煤柱幫采用Ф21.6 mm×5300 mm 高強鋼絞線錨索進行補強支護，間排距為1600 mm×1000 mm，每根錨索配合使用一支MSK2335和兩支MSZ2360 型的樹脂錨固劑。

4.2 沿空掘巷效果分析

為掌握2305 回風(fēng)順槽留8 m 寬護巷小煤柱沿空掘巷期間巷道圍巖變形情況，在距巷道開口50 m處布置1 組巷道圍巖位移測站，每隔200 m 布置一組測站，采用“十字測點法”對觀測巷道表面位移進行觀測。結(jié)果表明：2305 回風(fēng)順槽頂?shù)装搴蛢蓭鸵平孔畲笾捣謩e為162.48 mm 和206.37 mm，均在允許范圍內(nèi)，巷道圍巖變形控制效果較好。

此外，相較于該礦以往留設(shè)20 m區(qū)段煤柱而言，2305 回風(fēng)順槽采用留8 m 寬護巷小煤柱沿空掘巷技術(shù)后，可多回收煤炭資源約13 萬t，按照下霍煤礦現(xiàn)行原煤價格850 元/噸計算，可提高2305 工作面經(jīng)濟效益約1.1 億元。

5 結(jié)語

（1）采用極限平衡理論經(jīng)驗公式計算得到小煤柱合理寬度為7.69～9.03 m。

（2）數(shù)值模擬結(jié)果表明：煤柱寬度小于8 m 時，煤柱內(nèi)垂直應(yīng)力峰值和巷道表面變形幅度隨煤柱寬度增大的變化幅度較大；煤柱寬度大于8 m 時，煤柱內(nèi)垂直應(yīng)力峰值和巷道表面變形幅度隨煤柱寬度增大的變化幅度較?。淮_定了小煤柱最佳寬度為8 m，并指出2305 回風(fēng)順槽具有非對稱變形特征。

（3）提出了“錨網(wǎng)索”+煤柱幫錨索補強支護方案。頂?shù)装搴蛢蓭鸵平孔畲笾捣謩e為162.48 mm 和206.37 mm，巷道圍巖變形控制效果較好。