深部沿空掘巷窄煤柱寬度留設(shè)及圍巖控制技術(shù)研究

張建中

（冀中能源股份有限公司 邢東礦，河北 邢臺 054000）

0 引 言

煤炭作為一種不可再生的資源，是人類消耗能源中的重要組成部分，因此通過合理開采提高煤炭的回采率，對我國煤炭資源穩(wěn)定、長久的使用具有重要意義。工作面窄煤柱沿空掘巷因其具有煤炭資源回收率高的優(yōu)點(diǎn)，在我國應(yīng)用廣泛，對于窄煤柱沿空掘巷，我國學(xué)者從煤柱留設(shè)寬度和圍巖控制技術(shù)方面進(jìn)行了大量的研究，取得了一系列的成果。在窄煤柱留設(shè)方面，柏建彪等[1]提出窄煤柱與頂板控制都非常重要，高強(qiáng)度錨桿支護(hù)的窄煤柱是沿空掘巷圍巖的一個重要承載結(jié)構(gòu)；李磊等[2]針對華晟榮煤礦3104 工作面工況提出綜放沿空掘巷圍巖控制技術(shù)，并成功應(yīng)用于工程實(shí)踐；張科學(xué)等[3]得出大煤柱內(nèi)沿空掘巷窄煤柱合理寬度的確定方法，并深度分析了本區(qū)段工作面回采對窄煤柱和寬煤柱圍巖應(yīng)力分布規(guī)律的影響。在圍巖控制技術(shù)方面，柏建彪等[5]分析總結(jié)維護(hù)綜放工作面沿空掘進(jìn)巷道穩(wěn)定的關(guān)鍵因素，并采用高強(qiáng)錨桿支護(hù)有效地保持綜放沿空掘進(jìn)巷道的穩(wěn)定；康紅普[6]指出基于煤巖體地質(zhì)力學(xué)測試、以錨固與注漿為核心的支護(hù)加固技術(shù)，是有效、經(jīng)濟(jì)的深部巷道圍巖控制技術(shù)；袁亮等[7]提出了深部圍巖分級方法，并對不同分級的圍巖采取相應(yīng)的支護(hù)措施，實(shí)施分步聯(lián)合支護(hù)的技術(shù)方案。

綜上所述，前人針對多種條件的沿空掘巷技術(shù)進(jìn)行了大量研究，取得了豐厚的成果，但適用于邢東礦地質(zhì)條件下的深部沿空掘巷窄煤柱寬度留設(shè)研究較少。因此，本文以邢東礦井11214 工作面運(yùn)輸巷為工程背景，采用理論分析和現(xiàn)場監(jiān)測相結(jié)合的方式，研究了深部沿空掘巷窄煤柱寬度留設(shè)，并提出相對應(yīng)的圍巖控制技術(shù)，為類似生產(chǎn)地質(zhì)條件下的沿空掘巷提供了借鑒。

1 概 況

邢東煤礦2 號煤層結(jié)構(gòu)簡單，賦存穩(wěn)定，厚度變化較小，為全區(qū)穩(wěn)定可采煤層。11214 工作面是-760 水平1100 采區(qū)第13 個工作面，平均煤厚4.5 m，工作面標(biāo)高-720—-970 m，工作面地面標(biāo)高為+53.8—+59.3 m，運(yùn)輸巷的埋深為1 030 m，屬于深部礦井。11214 工作面布置如圖1 所示，工作面運(yùn)輸巷頂?shù)装鍘r層柱狀圖如圖2 所示。

圖1 巷道布置Fig.1 Roadway layout

圖2 巖層柱狀圖Fig.2 Rock stratum histogram

2 窄煤柱寬度留設(shè)理論計(jì)算

合理的煤柱寬度不僅要實(shí)現(xiàn)沿空巷道與鄰近工作面采空區(qū)保持一定安全距離，并且還需要擁有一定強(qiáng)度來承擔(dān)上覆巖層的載荷，因此深部沿空掘巷窄煤柱留設(shè)的最佳寬度應(yīng)確保窄沿空巷道位于圍巖應(yīng)力降低區(qū)內(nèi)，以及確保窄煤柱的自穩(wěn)能力及完整性，減小巷道圍巖變形。

2.1 基本頂破斷線位置與煤柱寬度關(guān)系

當(dāng)上區(qū)段工作面回采導(dǎo)致上覆巖層基本頂發(fā)生破斷后，端頭區(qū)域形成關(guān)鍵三角板塊結(jié)構(gòu)，巖塊A、B 之間及巖塊B、C 之間相互咬合形成穩(wěn)定鉸接，實(shí)體煤上方支承壓力以關(guān)鍵塊B 的斷裂位置為界，劃分成2 個應(yīng)力區(qū)域，即低應(yīng)力區(qū)域的“內(nèi)應(yīng)力場”，寬度為S1，以及高應(yīng)力區(qū)域的“外應(yīng)力場”[8-11]，寬度為S2，如圖3 所示。

圖3 基本頂斷裂位置與內(nèi)外應(yīng)力場Fig.3 Basic roof fracture location and distribution of internal and external stress field

為確保窄煤柱的完整性以及承載能力，保證安全生產(chǎn)的前提下，“內(nèi)應(yīng)力場”寬度與窄煤柱、巷道寬度之間應(yīng)滿足式（1）。

其中，內(nèi)應(yīng)力場范圍關(guān)系式為[12]:

式中：L1為掘巷寬度，5 m；L2為窄煤柱寬度，m；γ 為巖層基本頂容重，2.4×104N/m3；y 為煤體的壓縮量，0.9 m；M 為基本頂厚度5 m；a 為工作面走向長度，554 m；L 為初次來壓步距，40 m；G為頂板破斷線附近煤體剛度，1.2×109Pa。

經(jīng)計(jì)算S1=14.77 m，因?yàn)橄锏缹挾萀1=5 m，由式（1） 計(jì)算留設(shè)煤柱L2的最大寬度為9.77 m。

2.2 極限平衡區(qū)與煤柱寬度關(guān)系

窄煤柱寬度不能過小，否則，在窄煤柱受采動影響時會破壞嚴(yán)重，不利于錨桿索的錨固支護(hù)。因此要保證沿空巷道的穩(wěn)定性，留設(shè)煤柱的內(nèi)部要有相對完整并且較為穩(wěn)定的承載區(qū)域，使幫錨桿能錨固在相對穩(wěn)定的巖層中。因此，由護(hù)巷煤柱極限平衡理論可知，煤柱寬度還應(yīng)滿足式（3）。

式中：L2為窄煤柱寬度，m；x1為煤柱破壞范圍，m；x2為煤柱中錨桿有效長度，2.3 m；x3為煤柱穩(wěn)定系數(shù)，為0.2（x1+x2），m。

x1的表達(dá)式為[13]：

式中：m 為煤層平均厚度，4.5 m；λ 為側(cè)壓系數(shù)，λ=μ/(1-μ)；μ 為泊松比，取0.2；k 為應(yīng)力集中系數(shù)，取1.8；γ 為巖層平均容重，取0.024 MN/m3；H 為巷道埋深，取1 030 m；C 為煤層界面的黏聚力，1.2 MPa；P 為對煤幫的支護(hù)阻力，取0.2 MPa；α 為煤層界面的內(nèi)摩擦角，取25°。

經(jīng)計(jì)算x1=3.09 m，代入式（3），則窄煤柱寬度L2最小值為6.47 m。因此，由上文計(jì)算得所留設(shè)的窄煤柱合理寬度范圍為6.47~9.77 m。

2.3 窄煤柱合理寬度的確定

綜合應(yīng)用內(nèi)外應(yīng)力場及極限平衡區(qū)理論，得出窄煤柱合理寬度為6.47~9.77 m?？紤]工程類比情況，同類型巷道所留設(shè)窄煤柱寬度為8 m 時，頂?shù)装逡约皟蓭偷囊平枯^小，支護(hù)效果較好，確定深部沿空掘巷窄煤柱寬度留設(shè)的合理尺寸為8 m。

3 深部沿空掘巷圍巖破壞機(jī)理分析與控制

3.1 深部沿空巷道變形破壞機(jī)理分析

隨著開采深度的不斷增加，地應(yīng)力增大，煤巖所面臨的應(yīng)力條件更加復(fù)雜，極易導(dǎo)致巷道的較大破壞。留小煤柱沿空掘巷的方式使小煤柱不僅受原巖應(yīng)力場影響，還受巷道掘進(jìn)、上區(qū)段工作面回采以及該工作面回采影響，巷道承受三次采掘破壞。基本頂?shù)臄嗔鸦剞D(zhuǎn)會對煤柱產(chǎn)生劇烈的影響，煤體破壞嚴(yán)重，裂隙急劇發(fā)育。此外，上區(qū)段2223 工作面煤層厚度在4.5 m 左右，采用一次采全高采煤方法，完全垮落法處理采空區(qū)，開采必定導(dǎo)致上區(qū)段覆巖劇烈運(yùn)動，從而弱化煤體結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致煤柱節(jié)理裂隙進(jìn)一步發(fā)育，在煤巖體中形成較大范圍的破碎區(qū)，在此條件下掘進(jìn)巷道，煤柱將遭受巨大變形壓力，極易整體性向內(nèi)擠出變形，甚至出現(xiàn)大面積垮塌，導(dǎo)致煤柱完全破碎失去已有承載能力，使得11214 工作面沿空巷道的穩(wěn)定性降低。

綜上，掘進(jìn)11214 工作面運(yùn)輸巷（寬5 m、高3.5 m） 期間可能會出現(xiàn)巷道圍巖應(yīng)力急劇增加以及巷道圍巖變形量急劇增大的現(xiàn)象，更易導(dǎo)致礦壓顯現(xiàn)。針對這種情況，要想保證巷道的安全可靠，就要針對其破壞機(jī)理采取支護(hù)措施以維護(hù)圍巖的穩(wěn)定性。

3.2 沿空巷道控制對策

基于上述分析，針對深部沿空掘巷，提出“巷幫全螺紋錨桿支護(hù)+ 頂板螺紋鋼超強(qiáng)錨桿支護(hù)+冷拔絲金屬網(wǎng)配合菱形金屬網(wǎng)的雙網(wǎng)護(hù)巷+鋼絞線錨索補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)”的圍巖綜合化控制技術(shù)。

首先對兩幫和頂板圍巖及時實(shí)施高強(qiáng)度主動支護(hù)，抑制巷道圍巖早期變形，并且頂角及底角錨桿偏移15°以控制關(guān)鍵承載部位的剪切破壞。最后進(jìn)行高強(qiáng)預(yù)應(yīng)力錨索補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)，使兩幫和頂板深部巖層、中部巖層、淺部巖層都得到有效錨固。

3.3 圍巖控制技術(shù)與參數(shù)

頂板支護(hù)采用φ22 mm×2 400 mm 螺紋鋼超強(qiáng)錨桿，間排距800 mm×800 mm，配合穹形鋼托盤、φ12 mm 鋼筋梁及菱形金屬網(wǎng)；頂板采用φ21.8 mm×8 500 mm19 股鋼絞線錨索加強(qiáng)支護(hù)，間排距1 600 mm×1 400 mm，配合2 600×14 槽鋼、木墊板、鋼托盤等，五花眼布置。

兩幫支護(hù)采用φ20 mm×2 400 mm 全螺紋錨桿，間排距800 mm×800 mm，配合使用穹形鋼托盤、φ12mm 鋼筋梁及菱形金屬網(wǎng)；兩幫距頂板1.5 m 處打設(shè)錨索加強(qiáng)支護(hù)，間距1 600 mm，錨索采用φ15.24 mm×4 500 mm7 股鋼絞線錨索，配合200 mm×200 mm 鋼托盤和φ12 mm 鋼筋梁連鎖。支護(hù)方案如圖4 所示。

圖4 巷道支護(hù)圖Fig.4 Roadway support

3.4 工程實(shí)踐與支護(hù)效果監(jiān)測

為觀測支護(hù)效果，在沿空巷道試驗(yàn)段中布置測點(diǎn)，主要對頂?shù)装搴蛢蓭妥冃芜M(jìn)行觀察檢測，使用十字法進(jìn)行測量，在沿空掘巷煤柱、實(shí)體煤幫以及頂?shù)装逯蟹謩e固定一個錨桿釘，主要用來測量兩幫和頂?shù)装逍巫兞?，最后通過整體分析反映巷道周圍巖體的變形情況，如圖5 所示。

圖5 巷道圍巖變形量曲線Fig.5 Deformation curve of roadway surrounding rock

監(jiān)測結(jié)果顯示，在巷道掘出后，其周圍巖體形變量不斷加大，在35 d 后趨于穩(wěn)定。穩(wěn)定時頂?shù)装?、煤柱幫及?shí)體煤幫最大變形量分別為67、57、64、62 mm，變形程度處于合理范圍內(nèi)，巷道周圍巖體的控制效果良好，能夠達(dá)到安全生產(chǎn)要求。

4 結(jié) 論

（1） 由內(nèi)外應(yīng)力場及極限平衡區(qū)理論得到窄煤柱尺寸為6.47~9.77 m。考慮工程類比情況，最終確定深部沿空掘巷窄煤柱寬度留設(shè)的合理尺寸為8 m。

（2） 揭示沿空巷道變形破壞機(jī)理，確定了針對性的圍巖控制對策，提出符合深部沿空掘巷圍巖特征的“巷幫全螺紋錨桿支護(hù)+頂板螺紋鋼超強(qiáng)錨桿支護(hù)+冷拔絲金屬網(wǎng)配合菱形金屬網(wǎng)雙網(wǎng)護(hù)巷+鋼絞線錨索補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)”的聯(lián)合支護(hù)技術(shù)。

（3） 采用8 m 窄煤柱寬度及“巷幫全螺紋錨桿支護(hù)+頂板螺紋鋼超強(qiáng)錨桿支護(hù)+冷拔絲金屬網(wǎng)配合菱形金屬網(wǎng)的雙網(wǎng)護(hù)巷+鋼絞線錨索補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)”聯(lián)合支護(hù)技術(shù)方案，在支護(hù)完成約35 d 后，巷道圍巖表面變形趨于穩(wěn)定，頂板圍巖表面變形量最大，約為67 mm，實(shí)現(xiàn)了對深部沿空掘巷圍巖的有效控制。