溫莊煤業(yè)15106回風(fēng)巷沿空掘巷圍巖控制技術(shù)研究與應(yīng)用

曹高生

(山西潞安溫莊煤業(yè)有限責(zé)任公司，山西 長治 046307)

1 工程概況

山西潞安溫莊煤業(yè)有限責(zé)任公司15106工作面位于回風(fēng)下山東南，西面緊鄰 15100工作面采空區(qū)，工作面開采15號(hào)煤層，煤層厚3.08～4.91 m，平均厚4.45 m，煤層頂板巖層為泥巖和細(xì)砂巖，底板巖層為含鋁泥巖和泥巖。15106回風(fēng)巷沿工作面走向呈南北布置， 巷道設(shè)計(jì)沿煤層底板掘進(jìn)，見圖1。為了優(yōu)化采區(qū)巷道布置，提高采出率，15106 回風(fēng)巷留小煤柱，為確定合理的煤柱寬度及沿空掘巷圍巖支護(hù)方案，特進(jìn)行沿空掘巷圍巖控制技術(shù)的研究。

圖1 15106回風(fēng)巷位置示意

2 煤柱合理寬度分析

2.1 合理煤柱留設(shè)原則

根據(jù)采區(qū)的巷道布置形式可知，在進(jìn)行區(qū)段煤柱的寬度設(shè)計(jì)時(shí)，需要滿足的條件主要有以下幾個(gè)方面：①在沿空掘巷條件下，區(qū)段煤柱要保證有一定的承載性；②在本工作面采動(dòng)擾動(dòng)下，充分發(fā)揮錨桿支護(hù)和圍巖自承的能力，圍巖變形量在允許的范圍內(nèi)，區(qū)段煤柱具有較高的穩(wěn)定性；③與采空區(qū)進(jìn)行隔離，防風(fēng)隔矸隔水；④區(qū)段煤柱在設(shè)計(jì)時(shí)，將塑性區(qū)分為靠近采空區(qū)側(cè)的塑性區(qū)和巷道掘進(jìn)時(shí)產(chǎn)生的塑性區(qū)，不考慮本工作面采動(dòng)影響下內(nèi)部的塑性區(qū)拓展，只需保證本工作面采動(dòng)影響下具有較高的穩(wěn)定性即可[1-3]。

2.2 合理煤柱寬度模擬分析

由于礦井地質(zhì)資料有限，采用理論分析的方式進(jìn)行煤柱寬度分析時(shí)，會(huì)存在著較大的誤差，現(xiàn)為有效確定合理的煤柱寬度，根據(jù)15106工作面的地質(zhì)條件，采用UDEC數(shù)值模擬軟件進(jìn)行煤柱合理寬度的模擬分析。建立模型長200 m、寬 33.4 m。模型左右邊界及底部固定，在頂部施加 6 MPa 大小的垂直應(yīng)力，設(shè)置模型中，巷道平均埋深為 250 m，側(cè)壓系數(shù)取1.0[4]， 斷面設(shè)計(jì)尺寸為高 3.6 m、寬 4.7 m，模型中各巖層力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 模型物理力學(xué)參數(shù)

為確保數(shù)值模擬結(jié)果的可靠性，數(shù)值模擬時(shí)先進(jìn)行15100工作面的回采作業(yè)。15100工作面回采完畢后，分別設(shè)置3 m、5 m、8 m及15 m 四種煤柱寬度分別進(jìn)行15106回風(fēng)巷道的掘進(jìn)作業(yè)，根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果分別分析不同煤柱寬度下圍巖垂直應(yīng)力、煤柱裂隙分布和煤柱變形破壞情況，具體分析情況如下：

1) 垂直應(yīng)力：不同煤柱寬度下圍巖垂直應(yīng)力分布云圖見圖2。

圖2 不同煤柱寬度下垂直應(yīng)力分布云圖

分析圖2可知，煤柱內(nèi)垂直應(yīng)力隨煤柱寬度的增大而逐漸增大，煤柱寬度為3 m時(shí)，應(yīng)力峰值為3.5 MPa(原巖應(yīng)力6.25 MPa)，此時(shí)煤柱整體處于塑性狀態(tài)；煤柱寬度為5 m時(shí)，煤柱內(nèi)應(yīng)力峰值為12 MPa，此時(shí)煤柱具有一定承載能力，但煤柱整體呈塑性承載；當(dāng)煤柱為8 m時(shí)，煤柱內(nèi)應(yīng)力呈單峰曲線，峰值應(yīng)力約為20 MPa，高于原巖應(yīng)力，其峰值出現(xiàn)在巷道6.2 m處；區(qū)段煤柱為15 m時(shí)，煤柱內(nèi)應(yīng)力呈單峰曲線峰值為25 MPa，其峰值出現(xiàn)在巷道6 m處。

2) 煤柱裂隙分布：不同煤柱寬度下煤柱裂隙分布形式見圖3。

圖3 不同煤柱寬度下掘巷期間煤柱內(nèi)裂隙分布

分析圖3可知，隨著煤柱寬度不斷增加，煤柱內(nèi)裂隙閉合區(qū)范圍越來越大。煤柱為3 m時(shí)，煤柱整體處于塑性破壞裂隙區(qū)，失去了承載能力；區(qū)段煤柱為5 m時(shí)，煤柱內(nèi)裂隙開始出現(xiàn)不貫通區(qū)域(即裂隙閉合區(qū))，其范圍大約為1 m；區(qū)段煤柱為8 m時(shí)，煤柱內(nèi)裂隙閉合區(qū)長度約為2.9 m；區(qū)段煤柱為15 m時(shí)，煤柱內(nèi)裂隙閉合區(qū)長度約為5.1 m。

3) 煤柱變形：根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果，得出15106回風(fēng)巷掘進(jìn)過程得出不同煤柱寬度下煤柱破壞變形情況，具體結(jié)果見圖4。

圖4 不同煤柱寬度下掘巷期間煤柱破壞變形曲線

分析圖4可知，隨著煤柱寬度不斷增加，煤柱變形量呈現(xiàn)一個(gè)先減小后增大的變化過程。區(qū)段煤柱為3 m時(shí)，煤柱整體破壞較為嚴(yán)重，臨近巷道幫最大變形量超過600 mm，采空區(qū)側(cè)煤柱最大變形量約為400 mm；區(qū)段煤柱為5 m時(shí)，臨近巷道幫變形量約為190 mm，采空區(qū)側(cè)煤柱變形量約為230 mm；區(qū)段煤柱為8 m時(shí)，臨近巷道幫變形量約為200 mm，采空區(qū)側(cè)煤柱變形量約為500 mm；區(qū)段煤柱為15 m時(shí)，臨近巷道幫變形量約為260 mm，采空區(qū)側(cè)煤柱變形量約為580 mm。

2.3 煤柱寬度分析

基于上述分析可知，當(dāng)煤柱寬度為3 m時(shí)，煤柱整體發(fā)生塑性破壞整體變形較大失去其承載能力，在煤柱寬度從8 m增加到15 m的過程中，煤柱內(nèi)的垂直應(yīng)力呈現(xiàn)單峰曲線，應(yīng)力峰值遠(yuǎn)大于原巖應(yīng)力，其峰值出現(xiàn)位置向15106回風(fēng)巷方向移近，此時(shí)煤柱整體破壞變形較大。當(dāng)煤柱寬度為5 m時(shí)，煤柱內(nèi)應(yīng)力值高于原巖應(yīng)力，煤柱具有一定的承載能力，煤柱內(nèi)開始出現(xiàn)裂隙閉合區(qū)，煤柱較為完整，破壞變形相對(duì)較小。通過模擬回采期間不同超前距離條件下5 m煤柱的承載特性，驗(yàn)證了5 m煤柱的合理性?？紤]到回采過程中受超前支承壓力影響，煤體內(nèi)裂隙閉合區(qū)長度的問題，同時(shí)巷道掘進(jìn)過程中的施工問題，為增大掘進(jìn)及回采過程中巷道的安全系數(shù)[5-6]，最終確定護(hù)巷煤柱寬度為6 m。

3 圍巖控制技術(shù)

3.1 支護(hù)方案

根據(jù)15106回風(fēng)巷的地質(zhì)條件，結(jié)合6 m煤柱下的變形特征，設(shè)計(jì)巷道采用錨網(wǎng)索支護(hù)方案，具體支護(hù)參數(shù)如下：

1) 頂板支護(hù)：頂錨桿使用 MSGLW-335 22/2400 螺紋高強(qiáng)錨桿，間排距為850 mm×1 000 mm，頂部錨桿垂直于巷道頂板(其中頂角錨桿外偏 15°)打設(shè)；錨桿預(yù)緊扭矩為300 N·m；頂錨索使用D18.9 mm×6 300 mm 的礦用錨索，錨索沿巷道頂板呈 2-1-2 布置。1 根錨索時(shí)，在巷道中部打設(shè)；2 根錨索時(shí)，沿巷道頂板中心線平均布置，間距為1 700 mm，排距為1 000 mm，錨索預(yù)緊力為150 kN，采用10號(hào)鍍鋅經(jīng)緯網(wǎng)護(hù)頂，4 700 mm×1 100 mm(長×寬)，用 16號(hào)鉛絲聯(lián)接，雙絲雙扣，搭接長度不低于100 mm。

2) 兩幫支護(hù)：采用 MSGLW-33522/2000 螺紋高強(qiáng)錨桿，間排距為800 mm×1 000 mm，幫部錨桿垂直于幫部墻體(其中幫角錨桿外偏 15°)打設(shè)；采用高強(qiáng)度拱形托盤，尺寸為150 mm×150 mm×10 mm，采用10號(hào)鍍鋅經(jīng)緯網(wǎng)護(hù)頂，3 600 mm×1 100 mm(長×寬)，用16號(hào)鉛絲聯(lián)接，雙絲雙扣，搭接長度不低于100 mm，錨桿間采用鋼筋托梁聯(lián)結(jié)，托梁采用D14 mm的圓鋼焊接而成，規(guī)格為：D14-3400×80-5-800 mm。

15106 回風(fēng)巷錨桿支護(hù)斷面見圖5。

圖5 15106回風(fēng)巷支護(hù)布置示意(mm)

3.2 效果分析

15106運(yùn)輸巷在沿空掘巷期間，在滯后掘進(jìn)迎頭10 m的位置處布置巷道表面位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)，每2 d測(cè)量1次，持續(xù)觀測(cè)60 d，根據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果可繪制出圍巖變形量曲線見圖6。

分析圖6可知，掘巷期間圍巖變形量主要集中在巷道掘出后0～20 d范圍內(nèi)，巷道掘出30 d后，巷道頂?shù)装寮皟蓭鸵平炕具_(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，頂?shù)装寮皟蓭妥畲笠平糠謩e為91 mm和150 mm。

4 結(jié) 語

根據(jù)15106回風(fēng)巷地質(zhì)條件，通過數(shù)值模擬軟件得出合理煤柱寬度為6 m，結(jié)合6 m煤柱下煤柱變形特征，具體設(shè)計(jì)沿空掘巷期間圍巖支護(hù)方案，根據(jù)掘巷期間圍巖變形數(shù)據(jù)可知，沿空掘巷期間圍巖變形量小，保障了圍巖的穩(wěn)定。