特厚煤層沿空掘巷非對(duì)稱支護(hù)技術(shù)研究與應(yīng)用

何 超

（國(guó)源時(shí)代煤炭資產(chǎn)管理有限公司，北京 100120）

1 工程概況

霍州煤電臨汾宏大錦程煤業(yè)現(xiàn)階段主采9+10#煤層。10#煤層位于太原組下段頂部，普遍含有一層至兩層0.20～0.40 m 黑灰色碳質(zhì)泥巖夾矸，10#煤層為全區(qū)發(fā)育的煤層，煤層厚度3.0～3.65 m；9#煤層厚度0.9～1.1 m，與10#煤層夾矸0.3～1.0 m，局部范圍9+10 合并，煤層總厚度達(dá)5.8 m 左右。9+10#層的相鄰區(qū)段回采工作面巷道需經(jīng)歷掘進(jìn)擾動(dòng)、鄰近工作面及本工作面回采擾動(dòng)幾個(gè)階段。二采區(qū)21009 工作面回風(fēng)巷在鄰近21007 工作面采動(dòng)影響下出現(xiàn)了劇烈的礦山壓力顯現(xiàn)，21009 回風(fēng)巷掘巷450 m 時(shí)與21007 回采工作面相遇，之后隨著鄰近工作面的繼續(xù)回采，21009 回風(fēng)巷350～450 m 段出現(xiàn)了煤柱幫嚴(yán)重片幫、頂板冒落、底板嚴(yán)重底鼓現(xiàn)象，導(dǎo)致掘進(jìn)工作完全停滯，對(duì)巷道破壞區(qū)域進(jìn)行返修等影響采掘生產(chǎn)20 余天。為解決后續(xù)采掘工作面出現(xiàn)類似情況，以北翼21010 工作面回風(fēng)巷為工程背景展開(kāi)相關(guān)研究。

2 強(qiáng)動(dòng)壓影響下沿空煤巷煤柱寬度分析

9+10#煤層二采區(qū)回采巷道屬于大斷面煤巷，巷道沿10#煤層底板掘進(jìn)，以往鄰近上個(gè)工作面的回采巷道掘巷期間留設(shè)區(qū)段煤柱為19.5～21.0 m，造成資源浪費(fèi)。雖然區(qū)段煤柱寬度已相當(dāng)大，但沿空巷道仍受到鄰近工作面采動(dòng)劇烈影響，加之巷道直接頂破碎、自穩(wěn)能力差，巷道表面變形破壞嚴(yán)重，無(wú)法保障巷道的正常使用。沿空巷道煤柱寬度決定著鄰近工作面采動(dòng)對(duì)于巷道影響的劇烈程度，合理的煤柱寬度不但需要具備良好的自穩(wěn)性能，而且需要能夠?qū)敯鍘r層起到良好的支承作用[1]，在合理的支護(hù)下能夠?qū)崿F(xiàn)沿空巷道圍巖的穩(wěn)定。沿空掘巷后煤柱的載荷由上覆巖層重量及采空區(qū)側(cè)懸露巖層轉(zhuǎn)移的重量所構(gòu)成，根據(jù)9+10#煤層回采工作面布置情況及采掘接替情況，區(qū)段護(hù)巷煤柱在沿空巷道掘巷階段載荷如圖1。

圖1 區(qū)段煤柱受力示意圖

根據(jù)圖1 所示簡(jiǎn)化結(jié)果，可以得到區(qū)段煤柱載荷為[2]：

其中：σ為煤層內(nèi)垂直應(yīng)力，MPa；δ為上覆巖層垮落角，（°）；γ為頂板巖層體積力，kN/m3；H為煤層埋深，m；D為工作面長(zhǎng)度，m；B為區(qū)段煤柱寬度，m。

根據(jù)極限強(qiáng)度理論，煤柱能夠承受的極限垂直應(yīng)力計(jì)算公式為[3]：

其中：R為煤柱能夠承受的極限壓力，MPa；Rc為煤的單軸抗壓強(qiáng)度，MPa；h為煤柱高度，MPa。

為保障煤柱的有效承載性能，煤柱內(nèi)的載荷應(yīng)小于等于其極限載荷，因此當(dāng)煤柱內(nèi)垂直應(yīng)力等于其極限載荷時(shí)，煤柱寬度達(dá)到最小，聯(lián)立式（1）、（2）可得到煤柱極限寬度的計(jì)算公式：

結(jié)合9+10#煤層二采區(qū)具體地質(zhì)條件，上覆巖層垮落角δ=60°，上覆巖層平均體積重量γ=2.55×104N/m3，工作面長(zhǎng)度D=180 m，煤層埋藏深度H=310 m，煤柱高度h=5.8 m，煤層的單軸抗壓強(qiáng)度Rc=43.89 MPa，經(jīng)上式計(jì)算可得B=7.25 m。由此說(shuō)明區(qū)段煤柱的最小寬度應(yīng)不小于7.25 m，考慮預(yù)留適當(dāng)?shù)母挥嗔浚_定21010 回風(fēng)巷沿空掘巷預(yù)留煤柱寬度為8.0 m。

3 大斷面強(qiáng)采動(dòng)煤巷支護(hù)技術(shù)

9+10#煤層二采區(qū)回采巷道采用傳統(tǒng)的錨網(wǎng)索聯(lián)合支護(hù)技術(shù)，巷道掘進(jìn)初期，圍巖應(yīng)力狀態(tài)基本呈對(duì)稱布置，當(dāng)上個(gè)工作面回采后，巷道圍巖應(yīng)力呈不對(duì)稱分布，將導(dǎo)致沿空巷道圍巖破壞呈現(xiàn)不對(duì)稱性，因此可考慮采取不對(duì)稱支護(hù)方式來(lái)控制圍巖破壞。高預(yù)應(yīng)力錨索桁架結(jié)構(gòu)是一種不對(duì)稱的主動(dòng)支護(hù)方式[4]，其原理如圖2。通過(guò)對(duì)長(zhǎng)錨索施加較高的預(yù)應(yīng)力，使巷道頂板淺部圍巖錨固于深部巖層，提高頂板的整體性和承載能力，抑制頂板的離層，限制頂板的水平方向及垂直方向的變形。

圖2 錨索桁架系統(tǒng)的支護(hù)原理

21010 回風(fēng)巷一側(cè)為8 m 小煤柱及上個(gè)工作面采空區(qū)，一側(cè)為實(shí)體煤，為確定最佳的預(yù)應(yīng)力錨索桁架支護(hù)參數(shù)，采用FLAC3D模擬軟件進(jìn)行模擬分析。采用摩爾-庫(kù)倫模型，模型尺寸450 m×200 m×50 m。支護(hù)方案在原有錨網(wǎng)索支護(hù)方案基礎(chǔ)上，將頂板錨索改為預(yù)應(yīng)力錨索桁架支護(hù)，頂板錨索直徑為17.8 mm，長(zhǎng)度為8.25 m，錨固力為50 t，每排3 根，中間一根沿豎直方向布置，兩側(cè)兩根向兩側(cè)偏斜15°布置。頂板錨桿規(guī)格Ф22 mm×2500 mm，間排距0.9 m，兩幫錨桿規(guī)格Ф20 mm×2000 mm，間排距0.9 m。為確定最佳的錨索桁架支護(hù)參數(shù)，設(shè)計(jì)偏心距分別為200～500 mm，桁架跨距分別為1.2～1.8 m，每0.2 m 為一個(gè)變化梯度。模擬時(shí)首先進(jìn)行巷道的開(kāi)挖支護(hù)，然后進(jìn)行工作面的開(kāi)挖，當(dāng)計(jì)算完成后記錄巷道表面變形最大值。測(cè)點(diǎn)及數(shù)值模擬結(jié)果如圖3。

圖3 數(shù)值模擬研究結(jié)果

由圖3 可以看出，不同錨索桁架偏心距條件下巷道表面變形量存在顯著的變化。隨著錨索桁架向小煤柱側(cè)偏斜距離增加，巷道煤柱側(cè)變形量及煤柱側(cè)頂板變形量均呈減小趨勢(shì)。當(dāng)偏心距為400 mm時(shí)，其減小曲線出現(xiàn)明顯的拐點(diǎn)，說(shuō)明偏心距再增大將使煤柱側(cè)巷幫及煤柱側(cè)頂板變形量增大；當(dāng)偏心距增大，實(shí)體煤幫及實(shí)體煤幫側(cè)頂板變形量呈緩慢增大趨勢(shì)，偏心距由400 mm 繼續(xù)增大，其增大幅度顯著提升。由此表明，當(dāng)錨索桁架偏心距為400 mm 時(shí)，巷道圍巖整體變形量最小。同理，根據(jù)圖3（c）、（d）所示結(jié)果可以看出，當(dāng)錨索桁架跨度為1.6 m 時(shí)，巷道表面變形量及圍巖塑性破壞范圍均存在拐點(diǎn)，當(dāng)錨索桁架跨度為1.6 m 時(shí)，支護(hù)效果最佳。

4 工程應(yīng)用及效果分析

4.1 21010 回風(fēng)巷非對(duì)稱支護(hù)方案

結(jié)合上文數(shù)值模擬及理論分析結(jié)果，21010 回風(fēng)巷與21008 工作面間區(qū)段煤柱寬度為8.0 m，采用錨索桁架配合錨網(wǎng)索進(jìn)行聯(lián)合支護(hù)。巷道掘進(jìn)斷面寬×高=5.2 m×3.6 m，鋪底厚度200 mm。兩幫錨桿規(guī)格MSGLW500/18×2000 mm，間排距0.9 m，扭矩不小于250 N·m；頂板錨桿MSGLW500/22×2500 mm，間排距0.9 m，扭矩不小于300 N·m；頂板錨索采用1×7 股高強(qiáng)度預(yù)應(yīng)力鋼絞線，預(yù)緊力不小于140 kN，桁架采用16#槽鋼制成，總長(zhǎng)度3.7 m，錨索間排距為1.6 m×1.8 m。具體支護(hù)形式如圖4。

圖4 21010 回風(fēng)巷支護(hù)方案（mm）

4.2 應(yīng)用效果分析

21010 回風(fēng)巷掘巷階段在巷道內(nèi)布置位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)，記錄鄰近工作面采動(dòng)影響下巷道表面變形量變化規(guī)律，整理得到圖5。掘巷階段未受到鄰近工作面采動(dòng)影響時(shí)，巷道圍巖穩(wěn)定，變形微小；距鄰近工作面約30 m 時(shí)，表面變形量開(kāi)始逐漸增大，頂板下沉、兩幫移近速率最大約6 mm/d；在鄰近工作面推過(guò)測(cè)點(diǎn)位置后，巷道圍巖逐漸趨于穩(wěn)定，頂板下沉量最大值為91 mm，兩幫移近量最大值為78 mm；滯后鄰近回采工作面約90 m 時(shí)，巷道表面變形速率減小為零。綜上可得，采用非對(duì)稱支護(hù)方案后，沿空掘巷表面變形量很小，圍巖穩(wěn)定，取得良好的支護(hù)效果。

圖5 掘巷階段圍巖變形量及變形速率變化規(guī)律

5 結(jié)語(yǔ)

（1）錦程煤業(yè)9+10#煤層二采區(qū)區(qū)段煤柱極限寬度為7.25 m，建議21010 回風(fēng)巷與21008 工作面間區(qū)段煤柱寬度8.0 m。

（2）21010 回風(fēng)巷掘巷可采用預(yù)應(yīng)力錨索桁架非對(duì)稱支護(hù)，模擬分析表明，錨索桁架合理偏心距為400 mm（偏向煤柱側(cè)），最佳跨度為1.6 m。

（3）工程應(yīng)用實(shí)踐表明：錨索桁架配合錨桿聯(lián)合非對(duì)稱支護(hù)技術(shù)可有效控制沿空巷道的圍巖變形，鄰近工作面采動(dòng)影響下，巷道圍巖整體穩(wěn)定，變形量在合理范圍內(nèi)，支護(hù)效果良好。