秦落銘

（沁和能源集團(tuán)有限公司永安煤礦， 山西 晉城 048205）

引言

永安煤礦針對(duì)原井田邊界以內(nèi)煤炭資源枯竭的實(shí)際情況，為維持礦井持續(xù)生產(chǎn)，經(jīng)主管部門(mén)批準(zhǔn)，擴(kuò)大井田境界，增加礦井儲(chǔ)量。為盡快形成采煤工作面，扭轉(zhuǎn)礦井生產(chǎn)的被動(dòng)局面，公司決定對(duì)在采空區(qū)留下的相鄰的兩條區(qū)段煤柱中間分別試掘運(yùn)輸大巷和總回風(fēng)巷。工程進(jìn)行不久之后，運(yùn)輸大巷、總回風(fēng)巷均出現(xiàn)了強(qiáng)烈的變形，礦壓顯現(xiàn)劇烈。從而造成了巷道噴層破裂脫落，錨桿錨索被拉壞，兩幫破壞，頂板冒落，底鼓嚴(yán)重，支護(hù)困難，難以正常進(jìn)行掘進(jìn)作業(yè)。居于以上原因，煤礦方聯(lián)合太原理工大學(xué)開(kāi)展了區(qū)段煤柱中巷支護(hù)技術(shù)的應(yīng)用研究。由于區(qū)段煤柱處在高應(yīng)力區(qū)，巷道圍巖處于復(fù)雜的應(yīng)力變化中，使得在區(qū)段煤柱中掘出的巷道礦壓顯現(xiàn)復(fù)雜、劇烈，所以區(qū)段煤柱巷道支護(hù)是一個(gè)技術(shù)難題，前期需要對(duì)區(qū)段煤柱中巷進(jìn)行支護(hù)模擬實(shí)驗(yàn)[1-3]。

1 地質(zhì)特征分析

沁和能源集團(tuán)有限公司永安煤礦位于沁和縣嘉峰鎮(zhèn)永安村，井田面積3.86 km2，地質(zhì)儲(chǔ)量6 412.6萬(wàn)t，可采儲(chǔ)量2 554.4萬(wàn)t。共有井筒3個(gè)（主井、副井、回風(fēng)立井）。采煤方法為走向長(zhǎng)壁分層炮采，資源回收率90%，機(jī)械化程度為90%。當(dāng)前主要開(kāi)采2號(hào)煤層，煤種為1號(hào)無(wú)煙煤，具有灰分低、含硫低等特點(diǎn)。當(dāng)前開(kāi)采的2號(hào)煤層走向西北，傾向西南，煤層平均傾角4°，煤層平均厚度1.86 m。

2 支護(hù)模擬實(shí)驗(yàn)

2.1 模擬實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)及技術(shù)特征

2.1.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)使用2 150 mm（長(zhǎng)）×1 800 mm（高）×200 mm（寬）模型架進(jìn)行加載實(shí)驗(yàn)，幾何相似比為1∶5。模型的背面用木板固定，正面用有機(jī)玻璃固定且預(yù)留巷道開(kāi)挖口，模型頂部安裝液壓千斤頂3臺(tái)，通過(guò)油泵加壓，千斤頂上部頂工字鋼。工字鋼左右用鋼絲繩和張緊掛鉤與模型架底部連接，便于千斤頂加載。千斤頂與模型頂部之間安裝有長(zhǎng)度2 100 mm的槽鋼，以利于液壓缸所加壓力均勻分布在模型上表面。同時(shí)為了實(shí)驗(yàn)過(guò)程安全與實(shí)驗(yàn)的可靠性，模型的正面與背面再用槽鋼加固。

2.1.2 模型鋪裝及實(shí)驗(yàn)儀器

參數(shù)模型的原始參數(shù)取自永安煤礦綜合柱狀圖及實(shí)驗(yàn)區(qū)域的地質(zhì)資料。模型根據(jù)需要選取幾何相似常數(shù)為5，容重相似常數(shù)為1.6，應(yīng)力及強(qiáng)度相似常數(shù)為8，時(shí)間相似常數(shù)為2.828，載荷相似常數(shù)為1.6×106。相似材料用河沙、粉煤灰、石膏、碳酸鈣按配比混合后加水?dāng)嚢杈鶆蚝蠖瞥傻?，分層材料?～20目的云母粉。該實(shí)驗(yàn)主要的測(cè)試手段有：采用108路壓力計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)及CLYB-114型壓力傳感器監(jiān)測(cè)煤柱應(yīng)力分布、采用PENTAX R-322NX型光學(xué)全站儀監(jiān)測(cè)上覆巖層位移變化。

2.2 主要實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象

開(kāi)挖實(shí)驗(yàn)巷道，先開(kāi)挖巷道尺寸為27cm×18cm，并進(jìn)行四次擴(kuò)巷，實(shí)驗(yàn)巷道最終達(dá)到設(shè)計(jì)尺寸。實(shí)驗(yàn)巷道開(kāi)挖后進(jìn)行支護(hù)。

本次實(shí)驗(yàn)在模型頂部架設(shè)三個(gè)千斤頂用于加載，總共進(jìn)行七輪加載。在加載的過(guò)程中有實(shí)驗(yàn)巷道破壞的，所以巷道進(jìn)行擴(kuò)巷，在擴(kuò)巷后進(jìn)行新一輪的加載。第一輪加載中左、中、右三部油缸同時(shí)加載至10 MPa，頂、幫部位百分表讀數(shù)增加，底板壓力傳感器15—21號(hào)數(shù)值增加49 kg，加載頂梁整體抬升3 cm。

第一輪加載畢，對(duì)實(shí)驗(yàn)巷道第一次擴(kuò)巷，自底板往下開(kāi)挖9 cm，實(shí)驗(yàn)巷道尺寸變?yōu)?7 cm×27 cm。緊接著進(jìn)行第二次擴(kuò)巷，使實(shí)驗(yàn)巷道尺寸變?yōu)?7 cm×36 cm進(jìn)行第二輪加載之后，將巷道尺寸擴(kuò)為52 cm×36 cm。

當(dāng)加載至30 MPa，模型破壞，左幫自底板處折斷，右?guī)兔褐皂敯逄幷蹟?，兩幫片幫?yán)重。擴(kuò)巷至設(shè)計(jì)寬度，頂板離層，高度7 cm，長(zhǎng)度37 cm，頂板錨桿支護(hù)過(guò)程中，頂板大面積冒落，高度約10 cm。

在第五輪加載結(jié)束后，拆除木支架，更換柔性支架。進(jìn)行第七輪加載，柔性支架彎曲線、折斷。加載過(guò)程中，巷道正下方壓力傳感器15—19號(hào)數(shù)值基本沒(méi)有變化，兩邊煤柱下方傳感器增加較多；加載至15 MPa時(shí)，巷道下方16—19號(hào)傳感器數(shù)值開(kāi)始減??；加載至24 MPa，15—19號(hào)傳感器數(shù)值減小，20—22號(hào)傳感器數(shù)值穩(wěn)定，不增加；加載至26 MPa，巷道支架破壞，模型異響，漏沙，加載至30 MPa，15—22號(hào)傳感器數(shù)值均開(kāi)始減小。

3 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理

根據(jù)實(shí)驗(yàn)巷道內(nèi)百分表變化情況得知，在每輪加壓后，巷道的頂板變化量最大，其次是巷道右?guī)汀８鶕?jù)模型底部壓力傳感器數(shù)據(jù)得知，在模型頂部加壓時(shí)巷道下方的傳感器增加量是最低的，巷道兩幫煤柱下的傳感器增加量和模型邊界傳感器的增加量較大[4-5]。

實(shí)驗(yàn)巷道內(nèi)架設(shè)五組支架，根據(jù)所測(cè)數(shù)據(jù)得知，第一、第二和第五支架在加載的過(guò)程中所受力增大，而第三和第四支架是減少的。

在巷道頂部打三個(gè)測(cè)力錨桿，巷道兩幫各打個(gè)測(cè)力錯(cuò)桿。

1號(hào)錨桿在加載過(guò)程中，數(shù)據(jù)從8 079 g穩(wěn)步增加至8 094 g，呈現(xiàn)較好的線性關(guān)系，定義錨桿軸向力為y，加載值為x，則有y=0.6457x+8077.1，R2=0.908 3，如圖1所示。

巷道支架傳感器布置在巷道左右?guī)偷撞浚虞d過(guò)程中監(jiān)測(cè)巷道支架的受力情況，頂板壓力通過(guò)在巷道中部布置傳力立柱監(jiān)測(cè)頂板來(lái)壓強(qiáng)度第四輪加載過(guò)程中，巷道左幫處壓力值由開(kāi)始的27 kg增加至171 kg，巷道右?guī)蛪毫χ涤?5 kg增加至159 kg；加載至2 MPa時(shí)，巷道中間的頂板壓力檢測(cè)傳感器數(shù)值增加到最大值21.9 kg，隨后開(kāi)始減小，說(shuō)明頂板已經(jīng)完全破壞，傳感器檢測(cè)處頂板酥松并開(kāi)始吸收外加載荷的能量。

圖1 加載過(guò)程中1號(hào)測(cè)力錨桿軸向力變化曲線

4 結(jié)論

1）巷道幫部煤柱為護(hù)巷煤柱的主體，必須要對(duì)其進(jìn)行相應(yīng)的合理支護(hù)?？梢圆捎谜w澆注護(hù)巷帶的技術(shù)措施，從而有效避免煤柱剪切破壞。同時(shí)通過(guò)模擬實(shí)驗(yàn)表明煤柱頂?shù)装宀课粸橹ёo(hù)的重點(diǎn)區(qū)域。

2）模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明區(qū)段煤柱側(cè)高應(yīng)力是影響該巷道穩(wěn)定性的關(guān)鍵因素，在支護(hù)設(shè)計(jì)中必須予以考慮。