東周窯礦沿空巷道煤柱留設(shè)與支護(hù)技術(shù)探討

石艷陽(yáng)

（晉能控股煤業(yè)集團(tuán)同發(fā)東周窯煤業(yè)有限公司，山西 大同 037100）

1 工程背景

東周窯礦目前主采4#煤層，埋深為450 m左右，井田東西長(zhǎng)約15.8 km，南北寬約14.4 km，面積119.13 km2。目前采用綜采放頂煤采煤方法開(kāi)采煤層，煤層平均厚度7 m。以往相鄰區(qū)段煤柱留設(shè)寬度為30 m，巷道掘進(jìn)和回采維護(hù)過(guò)程中礦壓顯現(xiàn)強(qiáng)烈，諸如出現(xiàn)頂板下沉、部分錨桿破斷失效、部分巷道在掘進(jìn)過(guò)程中發(fā)生底鼓和幫部產(chǎn)生網(wǎng)包等，導(dǎo)致巷寬不夠，嚴(yán)重制約煤礦的安全生產(chǎn)。

2 煤柱寬度分析

為解決區(qū)段寬煤柱受采動(dòng)影響巷道變形嚴(yán)重的問(wèn)題，結(jié)合東周窯礦生產(chǎn)地質(zhì)條件，以彈塑性力學(xué)理論為基礎(chǔ)，通過(guò)計(jì)算側(cè)向支承壓力范圍來(lái)確定煤柱的合理寬度。建立力學(xué)模型如圖1所示［1-3］。

圖1 設(shè)計(jì)合適煤柱寬度計(jì)算模型

式中：M為開(kāi)采層厚，σx為水平應(yīng)力、σy為豎向應(yīng)力，σyl為豎向應(yīng)力極值，τxy為層間剪切力，x1為豎向應(yīng)力極值距煤壁的距離，α為開(kāi)采層與水平方向角度，Px為煤柱在采空側(cè)所受的力。

根據(jù)彈性力學(xué)理論，求在極限平衡區(qū)內(nèi)任意一點(diǎn)的應(yīng)力值為：

開(kāi)采層傾角接近于0°，則上式簡(jiǎn)化為：

式中：M為開(kāi)采層厚，m；β為最大水平應(yīng)力和垂直主應(yīng)力的比值（側(cè)向壓力系數(shù)）；為開(kāi)采層與巖層界面間的摩擦角，取值30°；C0為煤巖層交界處黏聚力，取1.9 MPa；Px為煤柱受采空區(qū)的作用力，取0。

式中：β為側(cè)壓系數(shù)；σ為最大或最小水平主應(yīng)力，σH或σh，MPa；σv為垂直應(yīng)力，MPa。

其中β1=1.9，β2=0.8。

令σy=11.9 MPa（原巖垂直應(yīng)力），可計(jì)算不同側(cè)壓系數(shù)下，煤厚分別為4 m、5 m、6 m、7 m、8 m時(shí)的應(yīng)力降低區(qū)范圍，如圖2所示。

圖2 煤厚不同時(shí)的減壓區(qū)范圍

從圖2可知，最大水平應(yīng)力和垂直主應(yīng)力的比值一定時(shí)，開(kāi)采層厚度與減壓區(qū)范圍是成正比的，β1=1.9，煤厚分別為4 m、5 m、6 m、7 m、8 m時(shí)對(duì)應(yīng)的減壓區(qū)為5.2 m、7.1 m、9.0 m、10.9 m，12.8 m；β2=0.8時(shí)，煤厚分別為4 m、5 m、6 m、7 m、8 m時(shí)對(duì)應(yīng)的減壓區(qū)為7.7 m、8.7 m、9.3 m、10.1 m、10.9 m。取M=4 m，則通過(guò)上述計(jì)算，可以得出減壓區(qū)為5.1～7.9 m?？紤]到將巷道布置在減壓區(qū)范圍內(nèi)，選擇煤柱寬度為6 m較為合理。

3 5103巷道支護(hù)設(shè)計(jì)

1）頂板支護(hù)設(shè)計(jì)方案。錨桿采用左旋無(wú)縱筋螺紋鋼錨桿（?22 mm×L 2 400 mm），錨桿間排距為900 mm×1 000 mm，垂直頂板，屈服強(qiáng)度不低于500 MPa；距離巷道幫部250 mm的錨桿與垂直方向夾角15°；使用W型鋼帶連接錨桿，W型鋼帶及金屬網(wǎng)護(hù)表，W型鋼帶為4 800 mm×280 mm×3 mm。每隔2排錨桿打一排錨索，錨索排距3 000 mm，間距900 mm，規(guī)格為?17.8-1×7-6300 mm鋼絞線，與頂板垂直，托盤(pán)為220 mm×200 mm×12 mm異性托盤(pán)（與JW鋼帶配套），錨索吊JW型高強(qiáng)度鋼帶及金屬網(wǎng)護(hù)表；JW型鋼帶為4 800 mm×330 mm×6 mm，金屬網(wǎng)為?6×100 mm×100 mm鋼筋網(wǎng)，14#雙股鐵絲綁扎；兩腮布置角錨索，角錨索排距2 000 mm，規(guī)格為?17.8-1×7-5300 mm鋼絞線，與水平成75°夾角，角錨索吊600 mm短節(jié)工字鋼。

2）小煤柱幫支護(hù)設(shè)計(jì)方案。錨桿采用左旋無(wú)縱筋螺紋鋼錨桿（?22 mm×L2 400 mm），錨桿排距1 000 mm，間距1 000 mm，錨桿使用150 mm×150 mm×10 mm的蝶形托盤(pán)；距巷道頂300 mm打1根錨桿與水平方向夾角為15°（向上偏），距巷道底500 mm打1根錨桿與水平方向夾角為10°。

3）采煤幫支護(hù)設(shè)計(jì)方案。錨桿采用左旋無(wú)縱筋螺紋鋼錨桿（?22 mm×L 2 400 mm），錨桿排距1 000 mm，間距1 000 mm；距巷道頂300 mm打1根錨桿與水平方向夾角為15°，距巷道底500 mm打1根錨桿與水平方向夾角為10°；巷道中間2根錨桿交替換成錨索，規(guī)格為?17.8-1×7-4300 mm，排距2 000 mm，錨索托盤(pán)為300 mm×300 mm×14 mm的拱形預(yù)應(yīng)力鐵托板，垂直巷幫。W型鋼護(hù)板及金屬網(wǎng)護(hù)表，W型鋼護(hù)板為450 mm×280 mm×3 mm、金 屬 網(wǎng) 為50 mm×50 mm的網(wǎng)格菱形金屬網(wǎng)。

擬定的支護(hù)設(shè)計(jì)方案如圖3所示。

圖3 巷道支護(hù)

4 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐

結(jié)合上述分析，5103巷道沿著采空區(qū)間隔6 m煤柱寬度掘進(jìn)。在掘進(jìn)期間實(shí)時(shí)進(jìn)行了礦壓監(jiān)測(cè)，掘進(jìn)期間巷道圍巖變形和錨桿索受力分析如下。

圖4 掘進(jìn)期間巷道表面位移監(jiān)測(cè)曲線

由圖4分析可知，巷道頂板的最大下沉量為35 mm，左幫最大變形量為55 mm，右?guī)妥畲笠平繛?7 mm，巷道整體變形小。從現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)看，巷道圍巖穩(wěn)定性好。

巷道圍巖錨桿索受力分析如圖5所示。

圖5 巷道頂板錨索受力變化曲線

通過(guò)頂板錨索的受力狀況變化可以看出，頂錨索初始預(yù)緊力達(dá)到160～195 kN之間，平均值為175 kN，掘進(jìn)初期受掘進(jìn)影響波動(dòng)較大，之后錨索受力值一直保持穩(wěn)定，最終頂錨索受力保持在140～230 kN之間，平均值為185 kN。頂板錨索受力隨著掘進(jìn)工作面距離的穩(wěn)定變化表明，巷道圍巖在很長(zhǎng)的一段時(shí)間內(nèi)一直保持穩(wěn)定。

5 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)東周窯礦以往工作面留設(shè)較寬煤柱從而導(dǎo)致回采巷道圍巖變形嚴(yán)重問(wèn)題，采用彈性力學(xué)理論對(duì)巷道留設(shè)合理煤柱寬度進(jìn)行了探討；并依據(jù)理論計(jì)算擬定5103巷新支護(hù)技術(shù)方案。通過(guò)5103巷道工程實(shí)踐表明，6 m煤柱寬度是合理的；應(yīng)用巷道新支護(hù)技術(shù)后，工作面沿空掘進(jìn)巷道圍巖保持穩(wěn)定，取得了良好的支護(hù)效果。