屈海峰

(華陽(yáng)集團(tuán) 南莊煤炭集團(tuán)有限責(zé)任公司，山西 陽(yáng)泉 045000)

1 工程概況

南煤集團(tuán)大陽(yáng)泉公司8128工作面位于15號(hào)煤采區(qū)南翼，工作面北與15號(hào)煤采區(qū)軌道巷相接，南鄰礦界，東距8130工作面15.3 m，西部為8126工作面采空區(qū)；工作面開(kāi)采15號(hào)煤層，煤層均厚為5.76 m，煤層結(jié)構(gòu)復(fù)雜，煤層內(nèi)含矸石0.13 m，工作面直接頂為黑灰色頁(yè)巖，厚約8.18 m，基本頂為中砂巖和灰色細(xì)砂巖，均厚6.23 m，底板巖層為黑色頁(yè)巖和灰色中砂巖，具體工作面頂?shù)装鍘r層特征見(jiàn)表1。工作面采用綜采放頂煤采煤方法，工作面割煤高度控制在2.7 m，放煤高度3.53 m，循環(huán)進(jìn)度0.8 m，全部垮落法管理頂板。

表1 煤層頂?shù)装鍘r性特征

8128工作面回風(fēng)巷一側(cè)沿空，巷道沿煤層底板掘進(jìn)，巷道斷面為矩形，掘進(jìn)高度×寬度=3.6 m×5.2 m，由于回風(fēng)巷道掘進(jìn)作業(yè)時(shí)為沿空掘進(jìn)，且巷道為煤巷，煤層上方直接頂巖層質(zhì)軟易碎，故需針對(duì)回風(fēng)巷道沿空掘巷時(shí)護(hù)巷煤柱寬度及松軟破碎圍巖巷道的支護(hù)方案進(jìn)行分析設(shè)計(jì)。

2 沿空掘巷煤柱寬度分析

綜放工作面沿空掘巷沿鄰近采空區(qū)邊緣進(jìn)行掘進(jìn)，其窄煤柱受到毗鄰工作面采動(dòng)影響，煤柱兩側(cè)淺部圍巖會(huì)發(fā)生塑性變形及破壞。隨著煤柱寬度的減小，煤柱內(nèi)的應(yīng)力集中程度得到減弱，但考慮到煤柱幫的支護(hù)效果，煤柱寬度又不應(yīng)太小。如果煤柱寬度小于某個(gè)值時(shí)，煤柱將發(fā)生蠕變變形破壞，此時(shí)煤柱幫錨桿不能錨固在穩(wěn)定巖層中，可能會(huì)導(dǎo)致一系列礦壓事故及安全生產(chǎn)難題。沿空掘巷煤柱力學(xué)模型如圖1所示。

圖1 沿空掘巷煤柱力學(xué)模型

根據(jù)圖1中的力學(xué)模型，結(jié)合極限平衡理論，推導(dǎo)出沿空掘巷窄煤柱最小合理寬度的表達(dá)式[1-3]：

B=x1+x2+x3

(1)

式中：B為煤柱最小合理寬度，m；x1為煤柱位于相鄰采空區(qū)側(cè)的破碎區(qū)長(zhǎng)度，m；x2為錨桿的有效長(zhǎng)度，m；x3為安全系數(shù)，緩傾斜煤層取(0.2～0.6)(x1+x2)；λ為側(cè)壓系數(shù)，λ=μ/1-μ；γ為煤巖層平均容重；m為煤層厚度，m；C0為煤層內(nèi)聚力大小，MPa；φ0為煤層內(nèi)摩擦角大小，°；K為應(yīng)力集中系數(shù)；H為巷道平均埋深，m；Px為錨桿對(duì)煤柱的側(cè)向阻力，MPa。

根據(jù)8128工作面頂?shù)装鍘r層的賦存情況及力學(xué)特征，結(jié)合8128工作面的具體情況，式中各項(xiàng)參數(shù)的取值見(jiàn)表2。

表2 8128工作面煤巖層物理力學(xué)參數(shù)

將上述數(shù)據(jù)代入式(1)，得x1=2.53 m；基于8128工作面的具體情況，取x2=2.0 m，則x3=(0.2～0.6)(x1+x2)=0.906～2.718 m，則煤柱最小合理寬度B=5.436～7.248 m。

另外考慮到綜放工作面回采過(guò)程中煤層采放厚度大，煤層開(kāi)采后，采空區(qū)內(nèi)遺留的浮煤和垮落的矸石無(wú)法充滿采空區(qū)，基本頂巖層會(huì)在覆巖載荷作用下發(fā)生破斷及回轉(zhuǎn)下沉現(xiàn)象，即基本頂向采空區(qū)側(cè)傾斜，進(jìn)而導(dǎo)致側(cè)向支承壓力會(huì)向煤體內(nèi)轉(zhuǎn)移，在應(yīng)力的轉(zhuǎn)移過(guò)程中會(huì)使邊緣煤體出現(xiàn)破壞，從而在區(qū)段煤柱一定深度內(nèi)形成塑性破壞區(qū)。根據(jù)研究可知[4-6]，綜放上區(qū)段工作面回采后，在煤體邊緣0～7 m的范圍內(nèi)會(huì)形成應(yīng)力降低區(qū)，結(jié)合煤柱合理寬度的計(jì)算結(jié)果，確定8128工作面沿空掘巷留設(shè)煤柱寬度為6 m。

3 圍巖控制技術(shù)

3.1 方案設(shè)計(jì)

為充分保障沿空掘巷巷道圍巖的穩(wěn)定，巷道斷面選用矩形，掘進(jìn)高度×寬度=3.6 m×5.2 m，結(jié)合工作面地質(zhì)資料可知，巷道圍巖較為松軟，且臨近的8126采空區(qū)尚未穩(wěn)定，巷道掘進(jìn)期間會(huì)受到一定程度鄰近采空區(qū)覆巖運(yùn)動(dòng)的影響。綜合上述分析，確定巷道采用錨網(wǎng)索+鋼帶+煤柱注漿加固的支護(hù)方案，具體支護(hù)方案如下：

1) 錨網(wǎng)支護(hù)：錨桿采用D20 mm×2 200 mm的螺紋鋼錨桿，頂板和兩幫錨桿間排距分別為900 mm×900 mm和1 000 mm×900 mm，錨桿采用端頭錨固，每孔采用2節(jié)K2370 mm樹脂藥卷進(jìn)行錨固，錨固力≥50 kN。錨桿托板采用150 mm×150 mm×10 mm的鐘型托盤，全斷面鋪設(shè)金屬網(wǎng)，金屬網(wǎng)采用D6.5 mm的圓鋼焊制，網(wǎng)孔間距100 mm，采用14號(hào)雙股鉛絲雙排扣扣相聯(lián),每排共計(jì)布置14根錨桿。

2) 鋼筋梯支護(hù)：2-2斷面拱部錨桿(7根)與鋼筋梯同排布置，鋼筋梯采用D16 mm的圓鋼焊制，長(zhǎng)度5 750 mm，每根鋼筋梯由兩根D16 mm的圓鋼平行并排焊接而成，并排外徑寬度102 mm，內(nèi)徑寬度70 mm,每隔800 mm焊接外徑間距為116 mm，見(jiàn)圖2。

圖2 鋼筋梯子梁加工示意(mm)

3) 錨索支護(hù)：頂板錨索采用規(guī)格為D17.8 mm×6 300 mm的鋼絞線(1×7股)，錨索采用4節(jié)K2370 mm樹脂藥卷進(jìn)行錨固，兩幫錨索采用2節(jié)K2370 mm樹脂藥卷，錨索的錨固力≥100 kN。全斷面布置2根錨索，均布置于巷道上，間排距1 800 mm×1 800 mm，錨索梁呈2-2布置。具體8128回風(fēng)巷道沿空掘巷各項(xiàng)支護(hù)參數(shù)見(jiàn)圖3。

圖3 8128回風(fēng)巷道沿空掘巷支護(hù)示意(mm)

4) 煤柱注漿：為加強(qiáng)煤柱的承載能力，在沿空掘巷期間對(duì)煤柱采用注漿加固工藝，在8128回風(fēng)巷道窄煤柱幫布置注漿鉆孔，采用水泥水玻璃對(duì)窄煤柱幫進(jìn)行注漿加固，詳細(xì)參數(shù)為：①注漿材料：選用水泥與水玻璃，以1∶0.4體積比進(jìn)行注漿，初凝時(shí)間1～2 h；②注漿鉆孔布置方式：窄煤柱幫注漿鉆孔呈五花布置(注漿間排距 1 000 mm×2 000 mm)、最靠近窄煤柱幫底部的注漿鉆孔的角度為 45°；③注漿時(shí)間：滯后回風(fēng)巷掘進(jìn)半個(gè)月；④注漿深度：3.5 m；⑤封孔方式：采用水泥藥卷，封孔長(zhǎng)度0.4 m；⑤水泥水玻璃在圍巖內(nèi)的擴(kuò)散半徑為 2 m；⑥注漿作業(yè)的終孔壓力為2 MPa。具體8128回風(fēng)巷道窄煤柱幫注漿加固參數(shù)見(jiàn)圖4。

圖4 窄煤柱幫注漿鉆孔布置示意(mm)

3.2 效果分析

為驗(yàn)證8128回風(fēng)巷道沿空掘巷支護(hù)方案的合理性，掘巷期間在距離掘進(jìn)頭5 m的位置處布置巷道表面位移監(jiān)測(cè)站，根據(jù)觀測(cè)結(jié)果繪制曲線，見(jiàn)圖5。

圖5 8128回風(fēng)巷沿空掘巷期間巷道表面位移曲線

分析圖5可知，8128回風(fēng)巷沿空掘巷期間，頂?shù)装寮皟蓭鸵平侩S著觀測(cè)天數(shù)的增長(zhǎng)表現(xiàn)出逐漸增大的趨勢(shì)。巷道頂?shù)装寮皟蓭妥冃沃饕l(fā)生在0～20 d內(nèi)；當(dāng)觀測(cè)天數(shù)大于20 d時(shí)，頂?shù)装寮皟蓭偷淖冃嗡俾蚀蠓葴p??；在觀測(cè)到30 d時(shí)，巷道圍巖基本達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。最終頂?shù)装寮皟蓭妥畲笠平糠謩e為84 mm和158 mm。

4 結(jié) 語(yǔ)

根據(jù)8128回風(fēng)巷道圍巖具體情況及其力學(xué)參數(shù)，通過(guò)理論計(jì)算護(hù)巷煤柱的合理寬度為5.436～7.248 m，結(jié)合側(cè)向支承壓力分布確定護(hù)巷煤柱寬度為6 m。結(jié)合回風(fēng)巷道圍巖特征，確定沿空掘巷采用錨網(wǎng)噴+煤柱注漿加固支護(hù)方案，根據(jù)掘巷期間巷道表面位移觀測(cè)結(jié)果可知，8128回風(fēng)巷道在6 m護(hù)巷煤柱、錨網(wǎng)索+鋼帶+煤柱注漿支護(hù)方案下，圍巖控制效果良好。