王國(guó)斌

（山西焦煤西山煤電集團(tuán)有限公司屯蘭礦，山西 古交 030206）

1 工程概況

屯蘭礦目前正在進(jìn)行8#煤南四盤區(qū)的開(kāi)采活動(dòng)，8#煤厚2.80~3.90m，平均約3.41m，局部夾一層炭質(zhì)泥巖，厚0.20~0.50m。工作面地面標(biāo)高為1145~1241m，工作面標(biāo)高為650~756m，蓋山厚度約為421~559m。煤層整體向南西傾斜，最大傾角8°，最小傾角2°，平均約5°。工作面走向長(zhǎng)度1815~1826m，傾斜長(zhǎng)度235m。煤層頂?shù)装逄卣饕?jiàn)表1。井下位于南四盤區(qū)，北東為南四回風(fēng)巷，南東18405工作面正在回采，南西為南三盤區(qū)（已回采）保護(hù)煤柱，北西為古交斷層，即將進(jìn)入準(zhǔn)備階段的18406 工作面為孤島工作面。

2 18406孤島工作面沿空巷道合理位置確定

（1）孤島工作面煤巖體內(nèi)垂直應(yīng)力的分布情況

依據(jù)18406 綜采工作面實(shí)際開(kāi)采條件，采用Flac3D數(shù)值模擬軟件模擬該工作面沿空掘巷過(guò)程中圍巖的受力及塑性區(qū)分布情況。模型長(zhǎng)、寬、高分別為850m、235m、120m，模型四周采用水平位移約束，底部垂直位移約束，上部為自由面，上覆巖層的載荷用11.56MPa 的均布載荷來(lái)替代，數(shù)值模型采用莫爾－庫(kù)侖準(zhǔn)則進(jìn)行計(jì)算。在確定18406 孤島工作面沿空掘巷留窄煤柱寬度之前，需要了解工作面的側(cè)向支承應(yīng)力分布情況。首先模擬開(kāi)挖工作面兩側(cè)的煤體，再次平衡后觀察兩側(cè)工作面回采完畢后孤島工作面煤巖體內(nèi)垂直應(yīng)力分布情況[1]。

表1 頂?shù)装鍘r性特征表

圖1 巷道開(kāi)挖前孤島工作面內(nèi)垂直應(yīng)力分布圖情況

由數(shù)值模擬結(jié)果圖1（a）繪制出隨運(yùn)輸巷一側(cè)距離變化與垂直應(yīng)力的變化規(guī)律如圖1（b）所示。在18406 工作面兩側(cè)的工作面回采完畢后，在工作面煤巖體內(nèi)的變化趨勢(shì)為：急速增大—緩慢減小—穩(wěn)定為原巖應(yīng)力。在距離兩側(cè)采空區(qū)邊界0~10m 范圍內(nèi)，垂直應(yīng)力急速增大，且應(yīng)力低于原巖應(yīng)力，稱為應(yīng)力降低區(qū)；在10~70m 范圍內(nèi)應(yīng)力在大約24m 處達(dá)到峰值，然后逐漸降低為原巖應(yīng)力，稱為應(yīng)力增高區(qū)；在距離兩側(cè)采空區(qū)70~115m 范圍內(nèi)垂直支承應(yīng)力基本等于原巖應(yīng)力，屬于原巖應(yīng)力區(qū)。在進(jìn)行合理窄煤柱寬度的研究時(shí)，應(yīng)當(dāng)盡可能地將巷道布置在兩側(cè)的應(yīng)力降低區(qū)內(nèi)，即煤柱的寬度應(yīng)小于10m，有益于后期沿空巷道的掘進(jìn)及維護(hù)，以及工作面回采過(guò)程中巷道圍巖的穩(wěn)定。

（2）孤島工作面掘巷位置確定

為了探究最為合理的煤柱寬度，應(yīng)用數(shù)值模擬軟件模擬18406 工作面各種條件不變的情況下，不同煤柱寬度條件下煤柱的穩(wěn)定性情況，然后根據(jù)煤柱寬度在保證巷道安全的前提下，盡可能提高煤炭資源的采出率，提高經(jīng)濟(jì)效益[2]。根據(jù)以上理論計(jì)算及數(shù)值模擬的結(jié)果，進(jìn)行6 種不同煤柱寬度的模擬。為了防止巷道煤柱側(cè)漏風(fēng)，最小煤柱寬度為5m，每增大1m 為一個(gè)模擬方案，最大寬度為10m。6 種不同方案下巷道圍巖位移峰值的變化情況，繪制成隨著與采空區(qū)距離變化的曲線如圖2 所示。

根據(jù)數(shù)值模擬的結(jié)果可知，孤島工作面留窄煤柱沿空掘巷時(shí)，當(dāng)煤柱寬度在5~8m 范圍內(nèi)變化時(shí)，巷道圍巖變形量基本上呈線性增長(zhǎng)，圍巖變形集中在巷道的頂板和實(shí)體煤幫側(cè)，煤柱寬度為8m 是巷道圍巖穩(wěn)定性變化的一個(gè)拐點(diǎn)。煤柱的作用一是要避免巷道與相鄰的采空區(qū)聯(lián)通，以免自燃；二是煤柱要有足夠的支承能力，發(fā)揮錨桿支護(hù)的性能，保證巷道圍巖的穩(wěn)定；在滿足這些條件的基礎(chǔ)上追求更好的資源回收率。因此根據(jù)18406 工作面具體的地質(zhì)情況，將煤柱寬度設(shè)定為8.0m。

圖2 不同煤柱寬度條件下圍巖位移變化情況圖

3 孤島工作回采巷道支護(hù)技術(shù)

18406 工作面為孤島工作面，根據(jù)以往孤島工作面回采的經(jīng)驗(yàn)，并且綜合考慮經(jīng)濟(jì)效益、施工工藝等因素，設(shè)計(jì)采用錨網(wǎng)索支護(hù)。由于孤島工作面回采期間，回采巷道內(nèi)礦壓顯現(xiàn)通常更為劇烈，巷幫片幫、頂板下沉?xí)用黠@，因此在支護(hù)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)適當(dāng)?shù)卦黾又ёo(hù)體系的強(qiáng)度[3]。根據(jù)18406 工作面巷道圍巖的具體特征，對(duì)該工作面沿空巷道的支護(hù)體系進(jìn)行設(shè)計(jì)。

（1）頂板支護(hù)的加強(qiáng)

根據(jù)屯蘭礦18406 工作面頂板跨度大、直接頂強(qiáng)度較低、層間含有軟弱夾層等具體條件，將頂錨桿由原來(lái)的Ф18×1800mm 左旋無(wú)縱筋螺紋鋼筋錨桿改進(jìn)為Ф22×2200mm 左旋無(wú)縱筋螺紋鋼筋錨桿。托盤采用規(guī)格為140×250×10mm 碟形鋼托盤，配置調(diào)心球墊及減磨墊圈。間距和排距由原來(lái)的0.9m 調(diào)整為0.8m，每排增加了一根錨桿，一排共6 根錨桿。兩側(cè)肩窩處的錨桿向兩側(cè)傾斜布置，與垂直方向的夾角15°，中間的4 根錨桿均垂直于巷道頂板。每根使用樹(shù)脂錨固劑MSZ23/80 一條，預(yù)緊力矩不小于250N?m，錨桿外露10 ～50mm。錨索選用1×7 股高強(qiáng)度低松弛預(yù)應(yīng)力鋼絞線Ф21.6×7200mm，采用300×300×16mm 碟形托盤，配套調(diào)心球墊及鎖具。每根使用樹(shù)脂錨固劑MSCK23/60、MSZ23/80 各一條。錨索在巷道頂板中間對(duì)稱布置兩根，由原來(lái)的兩排錨桿打一排錨索，調(diào)整為每排錨桿之間布置兩根錨索，錨索間排距為1600×800mm。

（2）幫部支護(hù)的調(diào)整

幫部錨桿由原本的Ф16×1600mm 的圓鋼錨桿調(diào)整為Ф22×2200mm 的螺紋鋼錨桿，托盤采用規(guī)格150×150×10mm 的拱形方托盤，配置調(diào)心球墊及減磨墊圈。每排為5 根，中間三根垂直巷幫，上部靠近頂板處的錨桿向上傾斜15°，靠近底板的錨桿水平向下傾斜15°。錨固劑選用MSZ23/80樹(shù)脂錨固劑。錨桿間排距由原本的1200×1000mm改為800×800mm。每側(cè)布置兩根錨索，煤柱側(cè)采用17.8×4200mm 的礦用錨索，實(shí)體煤側(cè)采用17.8×7200mm 的長(zhǎng)錨索，每根使用樹(shù)脂錨固劑MSCK23/60、MSZ23/80 各一條，外露10~50mm。經(jīng)過(guò)加強(qiáng)支護(hù)設(shè)計(jì)后，18406 孤島工作面運(yùn)輸順槽和回風(fēng)順槽的支護(hù)結(jié)構(gòu)詳細(xì)情況如圖3 所示。

圖3 “錨網(wǎng)索梁”聯(lián)合支護(hù)示意圖

4 應(yīng)用效果分析

（1）煤柱穩(wěn)定性分析

在18406 工作面回采期間，在回風(fēng)順槽煤柱側(cè)布置深度為1~8m 的應(yīng)力測(cè)試孔，觀測(cè)煤柱內(nèi)支撐應(yīng)力的變化。監(jiān)測(cè)結(jié)果整理后如圖4 所示。隨著回采工作面推進(jìn)，2~8m 應(yīng)力觀測(cè)孔應(yīng)力變化很小，而1.0m 觀測(cè)孔應(yīng)力基本未發(fā)生變化，維持在1.28MPa，煤體1m 范圍內(nèi)發(fā)生塑性破壞，但依然具有一定強(qiáng)度?？梢哉f(shuō)明工作面回采使煤柱內(nèi)地應(yīng)力逐漸增大，煤柱中雖然產(chǎn)生了一定范圍的塑性區(qū)，但是煤柱整體上完整性較好，證明8m 寬度的窄煤柱具有一定支承能力，能夠保證巷道圍巖的穩(wěn)定性。

圖4 隨工作面回采煤柱內(nèi)應(yīng)力變化曲線

（2）巷道圍巖穩(wěn)定性觀測(cè)

在18406 孤島工作面回采巷道采用“錨網(wǎng)索梁”聯(lián)合支護(hù)。為了考察支護(hù)方案的支護(hù)效果，在回風(fēng)順槽內(nèi)設(shè)置觀測(cè)站對(duì)巷道的變形量進(jìn)行觀測(cè)，統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果如圖5 所示。在距回采工作面60m 時(shí)圍巖的變形速度最大（工作面回采期間超前支護(hù)50m），之后變形速度逐漸減?。划?dāng)工作面回采至測(cè)點(diǎn)時(shí)，巷道頂板最大下沉量為150mm，底板最大底鼓量為250mm，兩幫移進(jìn)量基本都在100mm 左右。整體上巷道圍巖的變形量都比較小，能夠保證工作面生產(chǎn)的正常進(jìn)行，此次設(shè)計(jì)在現(xiàn)場(chǎng)取得了良好的應(yīng)用效果。

圖5 回風(fēng)順槽巷圍巖位移觀測(cè)結(jié)果

5 結(jié)語(yǔ)

根據(jù)屯蘭礦18406 工作面具體的地質(zhì)賦存條件，采用理論分析、數(shù)值模擬等方法開(kāi)展了區(qū)段煤柱合理寬度和支護(hù)設(shè)計(jì)研究。通過(guò)數(shù)值模擬，確定孤島工作面合理的窄煤柱寬度為8.0m，根據(jù)以往的經(jīng)驗(yàn)對(duì)“錨網(wǎng)索梁”聯(lián)合支護(hù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，工作面回采期間對(duì)煤柱應(yīng)力狀態(tài)進(jìn)行觀測(cè)分析，煤柱完整性良好，巷道圍巖位移觀測(cè)結(jié)果表明取得了很好的支護(hù)效果。