劉 劍，段 軍

（內(nèi)蒙古科技大學(xué) 礦業(yè)學(xué)院， 內(nèi)蒙古 包頭市 014010）

復(fù)雜應(yīng)力環(huán)境下孤島工作面窄煤柱掘巷支護(hù)技術(shù)研究

劉 劍，段 軍

（內(nèi)蒙古科技大學(xué) 礦業(yè)學(xué)院， 內(nèi)蒙古 包頭市 014010）

試驗(yàn)巷道為孤島工作面沿空巷道，且處于下部煤層遺留煤柱應(yīng)力集中影響區(qū)等復(fù)雜的圍巖應(yīng)力環(huán)境中。通過數(shù)值計(jì)算確定了遺留煤柱影響集中系數(shù)為1.3，應(yīng)力影響角為63°，影響范圍為遺留煤柱前后50m范圍內(nèi)。依此提出了集中應(yīng)力影響區(qū)巷道加強(qiáng)支護(hù)方案。巷道礦壓觀測表明，巷道圍巖變形得到了有效控制，在復(fù)雜的圍巖應(yīng)力環(huán)境下實(shí)現(xiàn)了一次成巷，滿足了巷道使用要求。

孤島工作面；應(yīng)力集中區(qū)；沿空掘巷；支護(hù)方案

0 引 言

為了避免生產(chǎn)和接替工作面之間的干擾，采區(qū)內(nèi)工作面之間有時(shí)被迫采用跳采接替方式，不可避免地在采區(qū)內(nèi)形成上、下區(qū)段均為采空區(qū)的工作面。孤島工作面回采巷道是沿空巷道的一種，其上、下順槽均處于沿空狀態(tài)，巷道壓力顯現(xiàn)明顯，如支護(hù)方法不當(dāng)，任何一條巷道的失穩(wěn)破壞將直接影響工作面上、下出口的暢通和安全。當(dāng)上部煤層煤質(zhì)差、下部煤層煤質(zhì)優(yōu)良，從企業(yè)效益角度出發(fā)而采用上行開采，上部煤層孤島工作面回采巷道將處于復(fù)雜的應(yīng)力環(huán)境中。

皖北某礦454工作面為孤島工作面，處于下部65采區(qū)回采完畢后形成的彎曲下沉帶內(nèi)，同時(shí)受到65采區(qū)遺留煤柱形成的應(yīng)力集中的影響，巷道圍巖應(yīng)力環(huán)境復(fù)雜，錨梁網(wǎng)支護(hù)將顯得異常困難。采用何種支護(hù)形式和支護(hù)參數(shù)是保證該工作面能否順利投產(chǎn)的關(guān)鍵，也是過去普通錨梁網(wǎng)支護(hù)未曾遇到過的新問題，具有重要的理論意義和實(shí)踐意義。

1 工程概況

454工作面由于接替等原因形成孤島工作面。工作面采用傾斜長壁布置，平均傾角7°左右，工作面傾向長1540m，走向?qū)?72m。工作面標(biāo)高在－323.1～－144.5m。454工作面下部90m為65采區(qū)，65采區(qū)各工作面均采用走向長壁采煤法，且均于2009年回采完畢，此時(shí)454工作面整體處于65采區(qū)的彎曲下沉帶內(nèi)，而65采區(qū)部分塊段留有煤柱，給454工作面回采巷道帶來影響，巷道處于復(fù)雜的應(yīng)力環(huán)境中，具體表現(xiàn)如下。

（1）孤島工作面留窄煤柱掘巷。454工作面為孤島工作面，其上、下順槽均處于沿空狀態(tài)，受上、下區(qū)段采空區(qū)側(cè)向支承壓力影響，巷道圍巖礦壓顯現(xiàn)明顯，如果兩巷支護(hù)參數(shù)選擇不合理，則會導(dǎo)致圍巖變形劇烈、沖擊礦壓等危險(xiǎn)事故的發(fā)生。

（2）彎曲下沉帶內(nèi)掘巷。454工作面整體處于65采區(qū)采后的彎曲下沉帶內(nèi)，工作面煤巖體整體下沉了0～2.2m，巖層沉降不均，發(fā)生離層、錯動、斷裂，巷道圍巖完整性差。

（3）巷道部分區(qū)段位于遺留煤柱上方。如圖1所示，6煤回采后，采空區(qū)內(nèi)留有部分煤柱，煤柱不規(guī)則，風(fēng)巷正下方留有60m煤柱（A區(qū)）、機(jī)巷正下方留有30m煤柱（B區(qū)）、在454工作面中部煤柱寬度為30m左右（C區(qū)）。受遺留煤柱影響，試驗(yàn)巷道在此區(qū)段內(nèi)圍巖壓力顯著升高，巷道支護(hù)困難。

圖1 遺留煤柱平面分布

2 遺留煤柱應(yīng)力集中影響程度數(shù)值計(jì)算

遺留的煤柱上方形成的應(yīng)力集中區(qū)，勢必會影響4煤層內(nèi)巷道的掘進(jìn)以及工作面的生產(chǎn)安全。為解決應(yīng)力集中區(qū)的巷道支護(hù)技術(shù)問題，首先應(yīng)掌握應(yīng)力集中區(qū)的分布范圍及影響區(qū)域，本文采用二維離散元軟件UDEC3.1進(jìn)行計(jì)算分析。

2.1 模型建立

采用矩形模型進(jìn)行計(jì)算，整個模型寬460m，高250m。模型包括2個煤層，分別為6煤和4煤。遺留煤柱對4煤454回采巷道的影響范圍為本次數(shù)值計(jì)算模擬對象。6煤內(nèi)各個工作面沿煤層走向回采，煤層厚度2.5m，回采完成時(shí)間均大于24個月，上覆巖層跨落已基本穩(wěn)定。4煤454工作面回采巷道沿傾向布置，巷道長度均為1500m。模型兩側(cè)限制水平方向移動，模型底邊限制水平方向和垂直方向移動，模型上表面為應(yīng)力邊界，4煤埋深350m，不足部分采用應(yīng)力補(bǔ)償來模擬上覆巖體的自重邊界。材料破壞遵循Mohr－Coulomb強(qiáng)度準(zhǔn)則。

2.2 計(jì)算結(jié)果分析

垂直應(yīng)力集中程度及其分布、不同寬度煤柱的下沉量見圖2～圖4及表1。

圖2 不同層位垂直應(yīng)力集中程度

圖3 沿巷道縱向垂直應(yīng)力分布

圖4 不同寬度煤柱的下沉曲線

表1 4煤底板應(yīng)力及位移計(jì)算結(jié)果統(tǒng)計(jì)

綜合理論與數(shù)值計(jì)算結(jié)果，主要得出如下結(jié)論：

（1）6煤開采后454工作面整體下沉約2.3m左右，遺留煤柱正上方下沉量約1.1～1.6m；

（2）6煤開采后，遺留煤柱上方頂板應(yīng)力影響角為63°左右，影響區(qū)為煤柱正上方兩側(cè)約50m范圍內(nèi)。風(fēng)巷約160m范圍，機(jī)巷約130m范圍的應(yīng)力較其他區(qū)段高；

（3）煤柱上方垂直應(yīng)力分布集中系數(shù)隨高度增大逐漸降低至原巖應(yīng)力，A、B區(qū)遺留煤柱在4煤底板形成的應(yīng)力集中系數(shù)為1.3左右。

3 遺留煤柱影響區(qū)巷道圍巖控制技術(shù)

3.1 煤柱寬度的確定

沿空巷道煤柱寬度的確定應(yīng)考慮以下幾點(diǎn)：

（1）是否存在大結(jié)構(gòu)失穩(wěn)問題；

（2）煤柱是否具有可錨性；

（3）煤柱寬度應(yīng)盡量小，提高煤炭資源回收率；

（4）是否避開應(yīng)力升高區(qū)。

經(jīng)綜合分析，確定454工作面沿空掘巷留設(shè)的煤柱寬度為4m。

3.2 巷道支護(hù)方案

巷道采用錨梁網(wǎng)支護(hù)，掘進(jìn)寬度3.8m，高度2.5m，斷面9.5m2。

巷道頂板支護(hù)結(jié)構(gòu)由兩部分組成。第一部分由錨桿＋M5鋼帶＋10＃金屬網(wǎng)組成。鋼帶沿巷道頂板橫向布置，每根鋼帶上安裝5根錨桿，實(shí)體煤幫頂錨桿與鉛垂面成20°角度錨入，其它錨桿垂直頂板錨入。頂板錨桿統(tǒng)一采用Φ20mm×2400mm左旋螺紋鋼等強(qiáng)錨桿。采用網(wǎng)孔不大于40mm的10＃鐵絲編織的菱形金屬網(wǎng)緊貼頂板鋪設(shè)，并且用鋼帶壓茬。第二部分由14＃普通熱軋槽鋼和錨索組成。槽鋼梁沿巷道縱向且與鋼帶呈十字交叉布置2排，分別距巷道實(shí)體煤幫1300mm和2900mm。槽鋼梁長度為2100mm，每根槽鋼梁上安裝2根錨索。錨索長度設(shè)計(jì)為7500m，直徑為Φ17.8mm。實(shí)體煤幫錨索與鉛垂面成20°錨入，沿空側(cè)錨索垂直頂板布置，如圖5所示。

圖5 應(yīng)力集中區(qū)沿空掘巷支護(hù)方案

3.3 巷道圍巖控制效果

圖6為受6煤遺留煤柱影響區(qū)的巷道圍巖變形觀測結(jié)果。由圖可見：

圖6 巷道圍巖變形規(guī)律曲線

（1）巷道變形以兩幫移近為主，兩幫移近量370 mm左右，頂?shù)装逡平?50mm左右，滿足了巷道使用要求，在復(fù)雜的圍巖應(yīng)力環(huán)境下實(shí)現(xiàn)了一次成巷；

（2）受上區(qū)段采動影響，煤柱已處于松散破碎狀態(tài)，此時(shí)錨桿的錨固作用甚微，安裝的錨桿只能保證煤柱的完整、不坍塌，煤柱的大變形很難得到有效控制，而實(shí)體煤側(cè)煤體的完整性相對較好，其變形量小于煤柱幫。

4 結(jié) 論

（1）采用離散元軟件分析計(jì)算了彎曲下沉帶內(nèi)454工作面煤巖層沉降規(guī)律以及6煤開采后遺留煤柱上覆巖體應(yīng)力集中區(qū)內(nèi)應(yīng)力分布及影響范圍，結(jié)果表明，6煤開采后454工作面整體下沉了約2.3m左右；遺留煤柱在4煤底板形成的應(yīng)力集中系數(shù)為1.3左右，應(yīng)力影響角為63°，影響區(qū)為煤柱正上方兩側(cè)約50m范圍內(nèi)，

（2）根據(jù)數(shù)值計(jì)算結(jié)果，提出了集中應(yīng)力影響區(qū)的加強(qiáng)支護(hù)措施，巷道礦壓觀測結(jié)果表明巷道圍巖變形得到了有效控制，滿足了巷道使用要求，在復(fù)雜的圍巖應(yīng)力環(huán)境下實(shí)現(xiàn)了一次成巷。

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2011－12－26）

劉 劍（1982－），男，內(nèi)蒙古鄂托克旗人，工程師，在讀工程碩士，主要從事于煤礦礦井設(shè)計(jì)方面的研究，Email：slamdunk19＠163.com。