綜放工作面小煤柱沿空掘巷支護(hù)技術(shù)應(yīng)用分析

唐耀偉

（晉能控股煤業(yè)集團(tuán)四臺礦，山西 大同 037016）

1 工程概況

煤峪口礦目前主要開采3#煤層，煤層平均厚度為15 m。 8202 工作面采用綜采放頂煤開采工藝，與其相鄰的8203 工作面采空區(qū)之間留設(shè)38 m 的寬煤柱。8202 工作面的回采長度為1 500 m，預(yù)計一條煤柱約損失煤炭1.30 Mt；而且在回采時，受上覆采空區(qū)和寬煤柱的影響，回風(fēng)巷會出現(xiàn)劇烈的礦壓顯現(xiàn)[1-3]，巷道受壓變形后在回風(fēng)巷和工作面交叉處僅留下一個窄口，嚴(yán)重影響綜采工作面的通風(fēng)安全。 為解決寬煤柱支護(hù)壓力大、煤炭資源損失嚴(yán)重的現(xiàn)象，擬采用留小煤柱沿空掘巷技術(shù)來降低綜采工作面寬煤柱的集中應(yīng)力。

2 支護(hù)難點

合理的煤柱寬度是決定留設(shè)煤柱穩(wěn)定性和沿空掘巷順利完成的關(guān)鍵因素。 為確保巷道的應(yīng)力在較低的范圍內(nèi)，考慮到煤柱圍巖變形情況、煤柱寬度以及煤柱隔絕氣體等要求，根據(jù)極限平衡理論[4-5]，煤柱最佳寬度為：

式中：x1為采空區(qū)影響下塑性區(qū)的寬度，m；x1為煤柱幫錨桿的有效長度，取2.0 m；為安全系數(shù)，?。?.15-0.35）（x1+x2）；為上個工作面回采巷道的高度，取4.4 m；A為側(cè)壓系數(shù)，取0.26；k為應(yīng)力集中系數(shù)，取0.28；γ為上覆巖層容重，28 t/m3；H為巷道埋深，取223.61 m；φ為內(nèi)摩擦角，取30°；C_C為頂板巖層巖體黏聚力，取3.32 MPa；C_0 為煤體黏聚力，取0.86 MPa；P_0 為上一工作面支架阻力，取0。

代入后得到x1=1.99，計算出小煤柱的最佳寬度B=4.59～5.39 m，因此小煤柱寬度取6 m。

采用留設(shè)6 m 小煤柱沿空掘巷支護(hù)，由于煤柱的尺寸小，巷道的應(yīng)力環(huán)境復(fù)雜，在掘進(jìn)過程中，經(jīng)受多次動壓，巷道底板出現(xiàn)底鼓，底鼓量達(dá)500 mm。 沿煤層底板掘進(jìn)，巷道高度為4.5 m，局部地區(qū)的巷道高度可達(dá)5 m 以上，這樣給兩幫支護(hù)帶來很大的困難，在開采壓力作用下，巷道兩幫出現(xiàn)嚴(yán)重變形，整體變形量較大。 煤層頂部煤體強(qiáng)度較低，巖層松軟，容易破碎，穩(wěn)定性較差。 另外，在經(jīng)過高瓦斯含量區(qū)域時，巷道兩幫的成型差，錨固力難以滿足要求。

3 支護(hù)技術(shù)

8202 工作面存在寬度不一致的煤柱和采空區(qū)，選用ABAQUS 數(shù)值模擬軟件對遺留煤柱的垂直應(yīng)力進(jìn)行模擬，根據(jù)煤柱的應(yīng)力狀態(tài)，可分為采空區(qū)影響段 （距工作面切眼100～300 m、560～630 m、700～780 m、790～860 m）、煤柱不影響段（距工作面切眼320～520 m、900 m 以上）和煤柱影響段（距工作面切眼300～320 m、520～560 m、630～700 m、780～790 m、860～900 m）。

根據(jù)高強(qiáng)度錨桿支護(hù)強(qiáng)度理論、 錨固平衡理論以及錨索懸吊補(bǔ)強(qiáng)理論[6-7]，根據(jù)錨桿、錨索聯(lián)合支護(hù)原則，按照動態(tài)系統(tǒng)設(shè)計方法，結(jié)合巷道支護(hù)、現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)以及巷道圍巖力學(xué)特性確定錨桿、錨索的支護(hù)密度及長度，擬定設(shè)計如下支護(hù)方案：

3.1 采空區(qū)影響段

巷道頂板支護(hù)設(shè)計。 采用錨桿主支護(hù)與組合錨索輔助支護(hù)，具體方案為：每排布置6 根左旋無縱筋螺紋鋼錨桿，錨桿的直徑為22 mm，長度為2 500 mm，每根錨桿之間的間距為900 mm，排距為1 800 mm。兩腮布置肩角錨索，排距為1 800 mm，采用直徑為21.8 mm，長度為5 300 mm 的鋼絞線，間距為900 mm，排距為2 700 mm。 在每兩排錨桿之間交叉布置一排組合錨索，每排錨索采用6.3 m 和8.3 m 兩種型號進(jìn)行交替布置，由5 根錨索組成，間排距為2 400 mm×2 700 mm。在距工作面開切眼前50 m 和后20 m 的范圍內(nèi)，將組合錨索的排間距減小，間排距為1 800 mm×1 800 mm。

巷道兩幫支護(hù)設(shè)計。 采煤幫采用錨桿主支護(hù)與組合錨索輔助支護(hù)，錨桿直徑為22 mm，長度為3 000 mm，排距為900 mm，間距為900 mm。在距巷道頂板400 mm，與水平方向向上呈10°夾角處，打一根錨桿，與水平方向向下呈20°夾角處，打一根錨桿，中間兩根錨桿替換成錨索，錨索直徑為21.8 mm，長度為5 300 mm，排距為1 800 mm，與巷幫垂直。 在距巷道底部2 950 mm 處，布置一排直徑為21.8 mm 的錨索，錨索長度為5 300 mm，間距為900 mm，搭配網(wǎng)格菱形金屬網(wǎng)，規(guī)格為50 mm×50 mm。 煤柱幫采用錨桿主支護(hù)與組合錨索輔助支護(hù)，在距巷道頂板400 mm，與水平方向向上呈10°夾角處，打一根錨桿，距巷道底板700 mm 處，與水平方向向下呈20°夾角處，打一根錨桿，中間交替打兩根直徑為17.8 mm 的錨索，錨索長度為4 300 mm，排距為1 800 mm，與巷幫垂直，搭配網(wǎng)格菱形金屬網(wǎng)，規(guī)格為50 mm×50 mm，如圖1 所示。

圖1 采空區(qū)影響段支護(hù)

3.2 煤柱影響段

巷道頂板支護(hù)設(shè)計。 兩腮采用肩角錨索進(jìn)行支護(hù)，錨索直徑為21.8 mm，長度為6 500 mm[8]。

巷道兩幫支護(hù)設(shè)計。 在采煤幫側(cè)距巷道底部2 950 mm 處，布置一排直徑為21.8 mm 的錨索，錨索長度為6 300 mm。 在煤柱幫距巷道頂板400 mm 處，布置一根直徑為17.8 mm 的錨索，錨索長度為4 500 mm，在距巷道底板700 mm 處，布置一根直徑為17.8 mm 的錨索，長度為4 500 mm。

除上述布置外，其余布置采用和采空區(qū)影響段同樣支護(hù)方案。

4 礦壓監(jiān)測分析

4.1 支護(hù)體受力觀測

為了檢驗巷道支護(hù)的安全可靠性，對錨桿錨索受力情況進(jìn)行監(jiān)測，根據(jù)現(xiàn)場情況布設(shè)礦壓觀測站3 個，分別設(shè)在8202 工作面沿空掘進(jìn)330 m、600 m 和970 m 處。

1 號觀測站的錨桿受力曲線如圖2 所示。巷道頂板錨桿受力平均值為82.7 kN，巷道左幫錨桿受力平均值為110.1 kN，右?guī)湾^桿受力平均值為148.7 kN，頂板的錨索最終受力值為227.8 kN。在巷道開挖的初期，煤柱幫錨桿受力比較大，頂板錨桿的受力相對較小，隨著掘進(jìn)長度的增加，兩幫錨桿受力逐漸增大，頂板錨桿的受力增幅變小，巷幫穩(wěn)定的周期較長[9-10]。

圖2 1 號觀測站錨桿受力曲線

2 號觀測站的錨桿受力曲線如圖3 所示。巷道兩幫的錨桿受力明顯大于巷道頂板的錨桿受力，巷道頂板錨桿受力平均值為69.6 kN，巷道左幫錨桿受力平均值為95 kN，右?guī)湾^桿受力平均值為134.8 kN，頂板的錨索最終受力值為243.6 kN，錨桿的最終受力逐漸減小，且錨桿受力變化趨勢與巷道的變形大體相同，巷道穩(wěn)定的周期變短。

圖3 2 號觀測站錨桿受力曲線

3 號觀測站的錨桿受力曲線如圖4 所示。在巷道開挖初期，錨桿和錨索在短時間內(nèi)達(dá)到穩(wěn)定，變化過程比較短，巷道頂板錨桿受力平均值為61 kN，巷道左幫錨桿受力平均值為101 kN，右?guī)湾^桿受力平均值為150 kN，頂板的錨索最終受力值為218 kN，右?guī)偷腻^索最終受力值為247 kN，沿空掘巷巷道的變形得到很好地控制。

圖4 3 號觀測站受力曲線

綜合監(jiān)測數(shù)據(jù)可以看出，隨著掘進(jìn)距離的增加，巷道變形量減小，穩(wěn)定周期明顯縮短，錨桿索受力減小，支護(hù)結(jié)構(gòu)能較好地控制巷道的變形。

4.2 巷道圍巖變形監(jiān)測

在工作面回采期間監(jiān)測巷道圍巖變形量，監(jiān)測曲線如圖5 所示。 在距工作面45 m 時，巷道慢慢出現(xiàn)變形，在距工作面20 m 時，巷道變形加劇?；夭善陂g，小煤柱受支承壓力和三角塊回轉(zhuǎn)的影響，容易被壓碎，出現(xiàn)輕微變形并逐漸向巷道內(nèi)移動，沿空幫的圍巖變形量為220 mm。整體來看，巷道兩幫的移近量大于頂?shù)装宓囊平?，但發(fā)生變形的時間幾乎沒有差異。

圖5 巷道圍巖變形量監(jiān)測曲線

5 結(jié)論

1）煤峪口礦小煤柱沿空掘巷支護(hù)困難，主要原因為煤柱尺寸小、巷道應(yīng)力復(fù)雜、圍巖條件差、巷幫穩(wěn)定性差；擬采用以錨桿錨索為主支護(hù)、組合錨索為輔助支護(hù)方案。

2）采用礦壓實時監(jiān)測表明，巷道兩幫的圍巖變形量大于巷道頂?shù)装宓淖冃瘟?，離工作面越遠(yuǎn)巷道的穩(wěn)定性越好；在沿空掘巷支護(hù)后，巷道圍巖的變形效果得到改善，支護(hù)效果較好。