綜采沿空掘巷煤柱尺寸分析及支護(hù)技術(shù)

劉國(guó)忠

（山西煤炭運(yùn)銷集團(tuán)呂梁有限公司，山西 孝義 032300）

煤炭為不可再生能源，提高煤炭資源回采率，不僅能夠提升礦井經(jīng)濟(jì)效益，同時(shí)對(duì)我國(guó)的能源安全意義重大。無(wú)煤柱、小煤柱開采近年在各大礦區(qū)廣泛開展，取得了良好的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益[1-3]。

1 工程概況

錦瑞煤業(yè)主采8 號(hào)煤層，厚度平均3.2 m，傾角0～8°，平均4°。8 號(hào)煤層一般無(wú)偽頂和直接頂（局部發(fā)育泥巖直接頂），基本頂巖性為L(zhǎng)1 石灰?guī)r，厚度平均5～10 m 左右；底板巖性為泥巖和砂質(zhì)泥巖互層，厚度平均4.50 m。8 號(hào)煤層上部47.17 m為5 號(hào)煤層，已采空，下部8.23 m 為9 號(hào)煤層，未開采。8107 綜采工作面北部、西部均為礦井邊界線，南部為8105 綜采工作面，東部為8101 首采工作面。為提高礦井資源回收率，推廣小煤柱開采技術(shù)，在8107 工作面運(yùn)輸順槽采用小煤柱護(hù)巷，順槽長(zhǎng)741 m，巷寬5.2 m，巷高3.2 m。8107 面布置情況如圖1。

圖1 8107 工作面布置示意圖（m）

2 小煤柱護(hù)巷支護(hù)設(shè)計(jì)

2.1 煤柱寬度分析

護(hù)巷煤柱的最小寬度可采用極限平衡理論和彈塑性理論相結(jié)合進(jìn)行計(jì)算[4-5]，如圖2 所示。護(hù)巷煤柱最小寬度B為：

圖2 最小護(hù)巷煤柱寬度

式中：x1為上區(qū)段工作面開采在本煤柱中產(chǎn)生的塑性區(qū)寬度，m；x2為巷道掘進(jìn)塑性區(qū)半徑，考慮15%的富裕，m；x3為安全需要增加的煤柱寬度，x3=（0.15～0.35）（x1+x2）。

在采動(dòng)應(yīng)力作用下，煤柱邊緣出現(xiàn)塑性破壞，其承載能力較?。欢畈棵后w完整性好，承載能力較高，支承壓力向深部轉(zhuǎn)移。根據(jù)極限平衡理論，在煤柱內(nèi)必然存在一個(gè)位置，煤柱承載能力和采動(dòng)支承壓力相當(dāng)，則為極限平衡狀態(tài)，由此可計(jì)算得到塑性區(qū)寬度x1為：

式中：m為上區(qū)段平巷高度，3 m；α為煤層傾角，6°；A為側(cè)壓系數(shù)，A=μ/（1-μ），μ為泊松比，取0.4；k為應(yīng)力集中系數(shù)，3.2；H為埋深，300 m；φ0為煤體內(nèi)摩擦角，取20°；C0為煤體粘結(jié)力，取3.43 MPa；γ為巖層平均體積力，取25 kN/m3；p0為上區(qū)段平巷支護(hù)結(jié)構(gòu)對(duì)下幫的支護(hù)阻力，0.2 MPa。

代入式（2）計(jì)算得到：x1=2.16 m。

采用彈塑性理論，可確定巷道塑性區(qū)半徑x2。

式中：R1為塑性區(qū)半徑，m；R0為井巷等效半徑，2.4 m；φ0為煤的內(nèi)摩擦角，20°；pi為留巷支護(hù)結(jié)構(gòu)對(duì)上幫的支護(hù)阻力，0.2 MPa；ST為原巖應(yīng)力。

將數(shù)據(jù)代入式（3）和（4）得出：R1=2.78 m，x2=1.15（R1-R0）=0.207 m。由此計(jì)算得到B=2.722～3.195 m。結(jié)合工程經(jīng)驗(yàn)，取8107 工作面沿空巷道的小煤柱寬度為6 m。

2.2 巷道支護(hù)設(shè)計(jì)

8107 工作面北部為礦界，共40 m 保護(hù)煤柱，另一側(cè)已經(jīng)采空；其南面為正在回采的8105 面。在進(jìn)行支護(hù)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)考慮8107 工作面孤島工作面的礦壓，采用工程類比法，8107 面運(yùn)輸順槽支護(hù)設(shè)計(jì)應(yīng)在8105 運(yùn)輸順槽的基礎(chǔ)上加強(qiáng)支護(hù)。綜合確定8107 面運(yùn)輸順槽采用錨網(wǎng)索聯(lián)合支護(hù)，巷道遇破碎帶、構(gòu)造等條件較差時(shí)，應(yīng)增加支護(hù)強(qiáng)度，降低錨桿索間排距，并鋪設(shè)頂板護(hù)表金屬網(wǎng)（巷道支護(hù)如圖3）。具體參數(shù)如下：

圖3 8107 工作面運(yùn)輸順槽支護(hù)設(shè)計(jì)圖（mm）

（1）巷道頂板采用高強(qiáng)錨桿，直徑20 mm，長(zhǎng)2000 mm，間距1300 mm，排距為1000 mm；采用2 根MSK2560 樹脂錨固劑；150 mm×150 mm×10 mm 平板托盤；配套W220 鋼帶或Ф14 mm 鋼筋梯；預(yù)緊扭矩不低于400 N·m；延伸率≥15%。

（2）巷幫錨桿型號(hào)參數(shù)與頂板一致，間距為900 mm，排距為1000 mm；采用2 根MSK2560 樹脂錨固劑；鉆頭Ф28 mm；150 mm×150 mm×10 mm 平板托盤；配套W220 鋼帶或Ф14 mm 鋼筋梯；預(yù)緊扭矩不低于400 N·m；延伸率≥15%。

（3）頂板采用直徑18.9 mm、長(zhǎng)6300 mm 錨索補(bǔ)強(qiáng)，掘進(jìn)時(shí)錨索“三花”布置，間距1500 mm，排距2000 mm；回采時(shí)在一根錨索處補(bǔ)打兩根錨索，間距1500 mm，形成“五花”布置；采用3 根MSK2560 樹脂錨固劑；300 mm×300 mm×16 mm 平板托盤；預(yù)緊力不低于150 kN；破斷強(qiáng)度≥1770 MPa；破斷力≥300 kN；延伸率≥3.5%。

（4）煤柱側(cè)巷幫采用直徑18.9 mm、長(zhǎng)4300 mm 錨索補(bǔ)強(qiáng)，排距為2000 mm，與頂板垂距1600 mm；采用3 根MSK2560 樹脂錨固劑；300 mm×300 mm×20 mm 平板托盤；預(yù)緊力不低于150 kN；破斷強(qiáng)度≥1770 MPa；破斷力≥300 kN；延伸率≥3.5%。

3 沿空巷道礦壓數(shù)值模擬分析

3.1 8105 工作面礦壓規(guī)律

采用數(shù)值模擬對(duì)8105 工作面回采前后的礦壓規(guī)律進(jìn)行分析。

（1）8105 工作面回采前

8105 運(yùn)輸巷兩側(cè)礦壓顯著影響范圍距離巷道壁0～15 m，最大值近似為巷道直徑的2.9 倍，垂直應(yīng)力峰值位置距巷道壁7 m 左右；8105 工作面運(yùn)輸巷一側(cè)的8107 面沿空巷區(qū)域，在8107 沿空巷開掘以前受8105 運(yùn)輸巷影響，該區(qū)域垂直應(yīng)力為7.5～9.0 MPa，為原巖應(yīng)力的1.04～1.23 倍。

（2）8105 工作面回采后

8105 工作面前方其運(yùn)輸巷道一側(cè)的影響范圍為18 m，工作面前方支承壓力峰值位于工作面前方25 m 左右；8105 回采面推進(jìn)方向，距離回采面0～17 m 受回采面引起的超前支承壓力影響較大，該范圍內(nèi)垂直應(yīng)力介于7.3～18 MPa，靠近回采面3 m 范圍內(nèi)壓力高達(dá)18 MPa；17～47 m 范圍內(nèi)存在30 m 左右的低壓區(qū)，壓力范圍6.0～7.2 MPa，最大降低幅度16.7%；47 m 以外區(qū)域受回采面超前支承壓力影響較小，應(yīng)力場(chǎng)分布基本穩(wěn)定，其應(yīng)力垂直分量約為7.3 MPa；8105 工作面上覆巖層隨著工作面推進(jìn)出現(xiàn)周期性垮落，覆巖逐漸穩(wěn)定，上覆巖層對(duì)8107沿空巷道的影響逐漸減小，8105 工作面基本頂周期來壓步距約20 m 左右，小煤柱應(yīng)力最終穩(wěn)定在18 MPa 左右。

3.2 未受采動(dòng)影響沿空巷道礦壓規(guī)律

數(shù)值分析可知：（1）8107 運(yùn)輸順槽采用6 m寬護(hù)巷煤柱時(shí)，巷前垂直應(yīng)力約為8 MPa，處于低應(yīng)力區(qū)；（2）8107 運(yùn)輸順槽掘進(jìn)對(duì)迎頭前方20 m 范圍的應(yīng)力分布產(chǎn)生了影響，前方應(yīng)力集中系數(shù)為1.2，迎頭后方9 m 范圍應(yīng)力分布穩(wěn)定，不受掘進(jìn)影響；（3）8107 運(yùn)輸順槽掘進(jìn)對(duì)回采側(cè)巷幫影響范圍為13 m，達(dá)到巷道寬度的2.5 倍；（4）8107 運(yùn)輸順槽未掘進(jìn)時(shí)，小煤柱區(qū)域垂直應(yīng)力約為8 MPa，巷道掘進(jìn)后應(yīng)力重新分布，小煤柱垂直應(yīng)力約為12～13 MPa，垂直應(yīng)力最大升高幅度為62.5%。如圖4。

圖4 沿空巷掘進(jìn)頭后方巷道斷面豎直應(yīng)力場(chǎng)分布

3.3 圍巖控制效果

對(duì)沿空巷道圍巖變形進(jìn)行模擬分析，由靜載荷引起的巷道水平位移和垂直位移凈增量不超過50 mm。由此可見，采用該支護(hù)方案時(shí)巷道圍巖變形較小，能夠?qū)崿F(xiàn)巷道圍巖穩(wěn)定。

4 應(yīng)用效果

8107 工作面運(yùn)輸順槽掘進(jìn)后，進(jìn)行頂板離層、圍巖變形以及圍巖結(jié)構(gòu)觀測(cè)，局部區(qū)域由于煤體破碎、節(jié)理裂隙發(fā)育、巷道圍巖變形相對(duì)較大，對(duì)巷道頂板進(jìn)行了錨索補(bǔ)強(qiáng)，形成“四三”布置，并對(duì)破碎煤柱進(jìn)行注漿加固。

為分析采動(dòng)應(yīng)力作用下小煤柱沿空巷道圍巖穩(wěn)定性，對(duì)8105 工作面回采期間沿空巷道頂?shù)装逡平亢蛢蓭褪湛s量進(jìn)行觀測(cè)分析。采用6 m 寬護(hù)巷煤柱和以上支護(hù)參數(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)采動(dòng)作用下沿空巷道圍巖穩(wěn)定，巷道頂?shù)装遄畲笠平?14 mm，兩幫最大收縮量482 mm，滿足巷道安全使用要求。