窄礦柱沿空巷道頂煤變形控制及應用

王 艷

（長治市煤礦安全技術培訓中心，山西 長治 046000）

引言

在窄礦柱沿空巷道中，由于多種作用下[1]導致巷道圍巖變形破壞。巷道兩側(cè)的變形量大于頂板和底板的變形量。因此，保持巷道窄礦柱壁的穩(wěn)定性是沿空掘進巷道變形與控制研究的重點[2]。在相關研究中關于頂煤變形與頂煤支護強度、窄柱寬度、頂煤剛度之間關系的研究較少?，F(xiàn)場調(diào)查表明，對頂煤變形應變條件的分析對研究窄礦柱綜放煤巷道的整體穩(wěn)定性具有重要意義。

1 沿空掘進巷道頂煤應力與變形分析

1.1 頂煤力學模型

綜放采空區(qū)沿空回采巷道一側(cè)為巷旁綜合煤，另一側(cè)為窄礦柱。工作面上部直接頂冒落后，主頂發(fā)生斷裂、回轉(zhuǎn)和下沉。下段在煤體中形成側(cè)向的“楔形塊梁”結(jié)構(gòu)，即“大結(jié)構(gòu)”[3]。沿空掘進巷道后，頂煤、底板、兩幫、窄柱和錨桿作為巷道的支護對象成一個整體，稱為“小結(jié)構(gòu)”[4]。沿空掘進巷道支護的重點是保持小結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。沿窄柱采空區(qū)掘進巷道與上覆巖層結(jié)構(gòu)的關系如圖1 所示。

以頂煤水平中心線為軸，以頂煤采空區(qū)側(cè)面終點為原點O，以巷道旁采煤側(cè)向方向為正方向，建立坐標。點A、點B 分別表示沿空入井的兩堵墻，C 點為頂煤深部應力集中區(qū)邊界，頂煤巖層用OD 表示，D 為足夠遠且不影響計算的隨機點，上覆巖層應力為q1（x），頂煤下的窄煤柱、采空區(qū)側(cè)面巷道和巷道旁的整體煤柱分別用OA、AB 和BD 表示，其寬度分別為l、L 和a+x0，它們是由窄柱共同作用的q2（x），支持強度p 和功率q3（x）。

設綜采巷道旁BC 側(cè)的應力集中系數(shù)為α1，窄礦柱OA 頂煤為α2。相對巖石應力系數(shù)為α3。工作面所受荷載仍為上覆巖層重力γ2H，其中γ2為平均權重，N/m2；H 為上覆巖層厚度，m。因此，上覆巖層應力q1（x）可以用分段函數(shù)表示為式（1）：

若將煤體作為各向同性彈性體，則頂煤上窄煤柱和巷道旁整體煤的支護效果可作為彈性基礎進行。所以q2（x）、q3（x）表示為式（2）、式（3）：

式中：k1和k2為反映頂煤下煤巖體承載能力的溫克勒系數(shù)；γ1為煤體的壓強，N/m2；h1為頂煤厚度，m；等效荷載q（x）可以用式（4）表示：

1.2 頂板凹陷曲線

以頂板煤層為均質(zhì)各向同性線彈性材料，梁OD撓度曲線方程為下頁式（5）：

式中：w（x）為梁的撓度，即頂板凹陷值，如式（6）所示，E 頂煤剛度和I=h13/12 截面慣性矩。將公式（4）代入公式（5），可以得到通解：

由頂煤曲線沉降邊界條件確定的待定系數(shù)。則可得到邊界條件式（7）：

在巷道旁完整煤體足夠深的位置，煤層仍受圍巖應力作用，不發(fā)生位移和變形，視為固定端。邊界條件如式（8）：

由于頂煤為連續(xù)線彈性梁，故a 點處的沉降值、角度值、剪應力和彎矩值，用式（9）表示為:

參數(shù)γ1，γ2，h0，h1，H，α1，α2，α3，E，I1，L，l，a，p 是根據(jù)采空區(qū)巷道現(xiàn)場實際情況和試驗所得的觀測量。將這些參數(shù)代入式（6），利用式（6）～式（9）計算c 的值c1，c2，c3…，c15，c16通過仿真得到頂煤頂板凹陷曲線。

2 頂煤變形影響因素分析

根據(jù)地質(zhì)條件、工作面參數(shù)及現(xiàn)場試驗，得到：H=460 m，h0=3.10 m，h1=5.00 m，L=5 m，I=10.417，α1=3.00，α2=1.50，α3=0.30，a=19.6 m，k1=110 MPa，k2=310 MPa。室內(nèi)實驗結(jié)果表明，E=1.1 GPa，γ1=13.50 kN/m3，γ2=26.00 kN/m3。計算頂板凹陷值，發(fā)現(xiàn)頂板凹陷最大值偏向窄煤柱。

2.1 頂板凹陷值與支護強度、窄礦柱寬度的關系

根據(jù)大、小結(jié)構(gòu)圍巖穩(wěn)定性理論[5-6]，采空區(qū)側(cè)巷道應位于關鍵塊體A、B 之間破裂線的外側(cè)，窄煤柱寬度可控制在3 m～5 m 之間。頂板凹陷值w、支護強度p、窄礦柱寬度l 之間關系。

1）凹陷度值隨著支護強度的增大而減小，在相同的窄煤柱寬度下，隨著支護強度的增加，頂板凹陷值變化較小。說明支護強度對頂板凹陷值的影響較小。但在相同支護強度下，隨著窄煤柱寬度的增大，頂板凹陷值變化較大。說明頂板凹陷值對煤柱寬度較窄更為敏感。因此，在沿空巷道設計中應優(yōu)先考慮窄煤柱寬度。

2）頂板凹陷值先快速減小后趨于穩(wěn)定，礦柱寬度較小時（3.0 m～4.0 m），頂板凹陷值變化較大，說明礦柱寬度對頂板凹陷值影響顯著。當寬度為4.0 m～4.5 m 時，頂板凹陷值變化不大。當?shù)V柱寬度大于4.5 m時，頂板垂度值隨礦柱寬度的增大而緩慢增大，說明礦柱寬度在4.0 m～4.5 m時，采空區(qū)回采巷道處于頂板最易控制的應力降低區(qū)。因此，礦柱寬度應在4.0 m～4.5 m之間。當窄煤柱寬度為4.0 m～4.5 m時，所需支護強度p 為0.4 MPa。

2.2 頂板凹陷值與頂煤剛度的關系

如果設置窄柱的寬度L0=4.0 m 時，得到不同支護強度p 頂板凹陷值w 與頂煤剛度E 的關系。

頂板凹陷值與頂煤剛度基本成反比關系。當E＜2.0 GPa 時，頂板凹陷值隨煤巖剛度的增加而迅速減小。說明煤巖剛度的變化對頂板凹陷值有較大影響。當E＞2.0 GPa 時，頂板凹陷值下降緩慢，說明剛度變化對頂板凹陷值的影響越來越弱。

3 工程應用

3.1 工程項目簡介

煤層位于地下約460 m 處，平均深度8.1 m，傾角7°。沿采空區(qū)掘進巷道的長度為828 m。隧道設計寬度為5 m，設計高度為3.1 m。平均深度為3.9 m。主頂平均深度9.8 m。頂煤的剛度在0.83～0.99 之間，相對較小。

3.2 支撐方式

根據(jù)上述研究，設定窄礦柱寬度為4 m，支護強度0.4 MPa，頂煤剛度1.5 GPa。錨索、錨網(wǎng)、注漿參數(shù)如下：

1）采用錨網(wǎng)和吊錨支護隧道頂板。采用7 支M20L2400 mm 高強度變形鋼筋錨桿，設計扭矩為200 N·m，預緊力≥78.4 kN。巷道兩側(cè)各采用5 支M20l1 800 mm 變形鋼筋高強度錨桿支護。每個錨栓的設計扭矩為200 N·m，預載力大于等于58.8 kN，錨栓由兩卷MSZ2350（M20L500 mm）樹脂筒固定，陣列間距為900 mm，間距為800 mm。

2）采用注漿保證剛度在1.5 GPa 以上。對頂煤破碎嚴重的區(qū)域，采用化學注漿進行統(tǒng)一錨固注漿。

3.3 支撐效果

巷道側(cè)壁頂板凹陷值曲線和巷道側(cè)壁變形值曲線如圖2 和圖3 所示。巷道沿空掘進32 d 后，巷道變形值接近最大值。頂煤最大頂板凹陷值為91 mm，巷道兩側(cè)最大變形值為145 mm。沿空掘進巷道變形在允許范圍內(nèi)，證明了上述綜合支護方案的可靠性和有效性。

圖2 頂板凹陷值曲線

圖3 巷道兩側(cè)變形值曲線

4 結(jié)論

1）根據(jù)沿空掘進巷道圍巖特征，建立了頂煤力學模型。通過溫克勒彈性建立模型，進行了頂板凹陷值曲線的解析解。

2）以實際工程項目為例，得到了不同支護強度、窄柱寬度和頂煤剛度條件下的頂煤頂板凹陷值。分析了三者關系?？梢钥闯?，窄柱寬度和剛度對頂板凹陷值的影響比支護強度的影響更明顯。

3）確定了采空區(qū)邊巷頂煤的支護參數(shù)，并對錨索、錨網(wǎng)和注漿綜合支護的應用提出了建議?，F(xiàn)場試驗證明了該方案的可靠性和有效性。

綜上所述，該結(jié)論對類似條件下的頂板變形控制及安全維護具有良好的參考意義。