虎曉宏

（山西潞安集團(tuán)蒲縣開拓煤業(yè)有限公司，山西 臨汾 041206）

1 工程概況

開拓煤業(yè)3 號(hào)煤層厚度約2.2～2.4 m，煤層傾角3°，有一層夾矸約0.2～0.4 m，結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單，屬穩(wěn)定可采煤層。頂板為細(xì)粒砂巖，底板為泥巖。3115回風(fēng)順槽是為滿足3115 工作面回風(fēng)、運(yùn)料、行人所掘的巷道，東為鳳凰臺(tái)煤業(yè)，西為該礦主要大巷，南為3113 已采工作面，北為設(shè)計(jì)的3115 工作面。

3#煤層現(xiàn)階段工作面間區(qū)段煤柱寬度多為35～40 m，3113 回風(fēng)順槽護(hù)巷煤柱寬度為40 m。3113 工作面回采期間，工作面前方90 m 沿空側(cè)巷道表面變形量開始變大。以巷道中線及腰線為軸，巷道頂?shù)装寮皟蓭捅憩F(xiàn)不對(duì)稱破壞特征，豎直方向：靠近煤柱一側(cè)頂板下沉量明顯大于靠近實(shí)體煤一側(cè)；水平方向：煤柱幫片幫內(nèi)移量明顯大于實(shí)體煤幫。結(jié)合以往沿空巷道破壞特點(diǎn)，提出3115 回風(fēng)順槽支護(hù)原則：非對(duì)稱支護(hù)原則，加強(qiáng)煤柱幫及煤柱側(cè)頂板的支護(hù)；高預(yù)緊力支護(hù)原則，加大錨索預(yù)緊力，減小頂板下沉；吊頂、控幫的三位一體原則，煤柱幫一側(cè)增設(shè)錨索+槽鋼提升剛度，調(diào)整頂板錨索角度，減小煤柱側(cè)頂板回轉(zhuǎn)下沉量。

2 最優(yōu)護(hù)巷煤柱寬度模擬研究

為解決大煤柱順槽支護(hù)效果差、回采率低的問(wèn)題，擬采用小煤柱護(hù)巷的方式進(jìn)行巷道布置。參考以往的相關(guān)研究成果[1-3]，護(hù)巷煤柱的寬度對(duì)于沿空巷道的穩(wěn)定性具有顯著的影響，為確定3115 回風(fēng)順槽的最佳煤柱寬度，以3115 回風(fēng)順槽掘進(jìn)及3115工作面回采為工程背景，建立三維數(shù)值模擬模型，研究分析最佳的護(hù)巷煤柱寬度。參考相似地質(zhì)條件下小煤柱沿空掘巷成功應(yīng)用實(shí)例[4]，設(shè)計(jì)煤柱寬度分別為5 m、8 m、15 m 三個(gè)方案，三維數(shù)值模型如圖1（a）。3 號(hào)煤煤層厚度2.3 m，巷道沿頂板掘進(jìn)，兩側(cè)工作長(zhǎng)度為100 m，模型邊界條件如圖1（b），模型頂面施加8.7 MPa 豎直向下的邊界載荷。

圖1 數(shù)值模擬模型及邊界條件詳圖

模擬步驟：模型計(jì)算平衡得到初始地應(yīng)力場(chǎng)→3113 工作面的逐步回采（每次開挖步距2.4 m，共開挖50 次，推進(jìn)120 m）→不同護(hù)巷煤柱寬度條件下3115 回風(fēng)順槽開挖支護(hù)（巷道斷面寬×高=4.6 m×4.2 m，每次開挖10 m，分12 次開挖）→3115 工作面回采（開挖步距2.4 m，共開挖50 次，推進(jìn)120 m）。模擬過(guò)程中，3115 回風(fēng)順槽開挖完成后，記錄巷道長(zhǎng)度方向中部截面巷道頂板、底板、兩幫的變形量，整理結(jié)果如圖2（a）。3115 工作面回采60 m 時(shí)，記錄超前工作面10 m 處3115 回風(fēng)順槽圍巖表面變形量，整理結(jié)果如圖2（b）。

由圖2（a）結(jié)果可看出，沿空巷道掘進(jìn)期間，圍巖表面主要變形表現(xiàn)為窄煤柱幫內(nèi)移及頂板的下沉。煤柱寬度為5 m 時(shí)，圍巖表面變形最嚴(yán)重；護(hù)巷煤柱寬度增大至8 m，巷道表面變形量顯著減小，窄煤柱幫內(nèi)移量由381 mm 減小為177 m，減小了46.5%，頂?shù)装寮皩?shí)體煤幫變形量同樣減小30%～40%；護(hù)巷煤柱15 m 時(shí)，相對(duì)煤柱寬度8 m，同等條件下巷道表面位移量減小約15%～30%，巷道表面位移量的差值顯著小于護(hù)巷煤柱寬度為8 m、5 m 之間的差值。由圖2（a）結(jié)果可看出，工作面回采期間，煤柱寬度為8 m 時(shí)，沿空巷道變形量相對(duì)煤柱寬度為5 m 時(shí)顯著減小，煤柱寬度為15 m相對(duì)煤柱寬度為8 m，沿空巷道變形量差值顯著較小。綜上可得，護(hù)巷煤柱寬度為8 m，沿空巷道圍巖穩(wěn)定性相對(duì)于煤柱寬度5 m 顯著提高，綜合考慮經(jīng)濟(jì)、資源利用率等因素，確定護(hù)巷煤柱寬度設(shè)計(jì)為8 m 最為合理。

圖2 沿空巷道圍巖位移情況模擬結(jié)果

3 3115 回風(fēng)順槽支護(hù)設(shè)計(jì)

采用懸吊理論分析計(jì)算確定3115 回風(fēng)順槽支護(hù)參數(shù)[1]，頂板錨網(wǎng)索支護(hù)：每排6 根錨桿，間距為0.8 m，垂直頂板打設(shè)，考慮實(shí)際施工中的偏差，允許5°誤差，排距為0.7 mm，錨桿直徑為22 mm，長(zhǎng)為2.4 m，采用6“眼”W 型鋼帶，規(guī)格：Φ12-5-80-4400 mm；采用網(wǎng)孔50 mm×50 mm菱形網(wǎng)護(hù)頂。錨桿錨固劑：一支MSK2335（在上）和一支MSZ2360（在下）型樹脂藥卷，錨固長(zhǎng)度為1.2 m。頂板錨索布置：錨索每排布置兩根、三根交替，以巷道中心線向左右兩側(cè)各1.6 m 間距均勻布置，排距為1.4 m。錨索規(guī)格及布置方式：直徑21.7 mm，長(zhǎng)6.2 m；配備300 mm×300 mm×12 mm 拱形托盤，采用一支MSK2335（在上）和兩支MSZ-2360（在下）樹脂藥卷錨固。

兩幫錨桿規(guī)格及布置方式：錨桿直徑20 mm，長(zhǎng)2.0 m，每側(cè)錨桿5 根/排，靠近頂板的錨桿距頂板0.25 m，向上傾斜15°打設(shè)，靠近腰線的3 根錨桿水平布置，靠近底板的錨桿與底板間距為0.15 m，向下傾斜15°安裝，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際施工的偏差，允許5°的安裝誤差，間排距0.8 m×0.7 m，采用與頂板錨桿相同的錨固方式，兩幫采用聚丙烯雙抗網(wǎng)護(hù)幫。窄煤柱側(cè)補(bǔ)強(qiáng)加固措施：巷道掘進(jìn)期間，滯后迎頭約100 m 開始進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)，錨索為直徑17.8 mm 預(yù)應(yīng)力鋼絞線，長(zhǎng)4.2 m，間排距1.5 m×1.4 m，每排兩根，上部一根距頂板1.4 m，下部一根距底板1.3 m，兩根錨索間由長(zhǎng)度1.7 m 的16#槽鋼聯(lián)結(jié)，錨索錨固方式與頂板錨索相同；同樣在滯后迎頭100 m 左右位置開始進(jìn)行注漿作業(yè)，每排施工3 個(gè)深度2500 mm 的注漿孔，布置間排距均為1.4 m，注漿管支架42 mm，長(zhǎng)度1.5 m，采用425 硅酸鹽水泥添加8%的ACZ-1 配置漿液，首先注最上方的注漿孔，注漿壓力控制在4～6 MPa。綜上，3115 回風(fēng)順槽支護(hù)詳情如圖3。

圖3 3115 回風(fēng)順槽支護(hù)詳圖（mm）

4 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用及礦壓監(jiān)測(cè)

3115 回風(fēng)順槽留設(shè)8 m 的護(hù)巷煤柱，采用上述支護(hù)方式掘進(jìn)期間，監(jiān)測(cè)巷道頂?shù)装寮皟蓭椭胁康囊平?，采用?shù)據(jù)處理軟件得到頂?shù)装?、兩幫相?duì)位移量隨著成巷時(shí)間的變化曲線如圖4（a）?？梢钥闯?，巷道圍巖表面位移增加較快，巷道開挖支護(hù)約25～30 d 時(shí)，圍巖表面位移量增速基本趨近于零，兩幫移近量維持在214 mm，頂?shù)装逡平烤S持在149 mm，巷道表面整體變形量在合理可控范圍內(nèi)，能夠滿足巷道正常使用功能的斷面需求。3115 工作面回采期間，超前工作面100 m 處設(shè)置煤柱應(yīng)力監(jiān)測(cè)點(diǎn)，鉆孔應(yīng)力計(jì)長(zhǎng)度1～6 m，觀測(cè)頻率2 d/次，整理得到煤柱內(nèi)應(yīng)力變化規(guī)律如圖4（b）。超前工作面約90 m，煤柱內(nèi)垂直應(yīng)力開始逐漸增大，距工作面10 m 附近，煤柱內(nèi)垂直應(yīng)力達(dá)到峰值，且煤柱內(nèi)3～5 m 應(yīng)力較大，該部分為應(yīng)力集中峰值區(qū)域，可認(rèn)為煤柱內(nèi)3～5 m 為彈性核區(qū)，對(duì)巷道頂板起到良好的支撐作用。

圖4 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用期間監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)整理結(jié)果

5 結(jié)論

開拓煤業(yè)3#煤層回采工作面沿空巷道圍巖表面位移呈現(xiàn)顯著的非對(duì)稱性，結(jié)合圍巖變形特征，提出非對(duì)稱支護(hù)理念，并設(shè)計(jì)具體的巷道支護(hù)參數(shù)及補(bǔ)強(qiáng)加固措施，數(shù)值模擬研究分析確定最合理的護(hù)巷煤柱寬度為8 m?，F(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用期間，巷道表面位移量及煤柱內(nèi)應(yīng)力監(jiān)測(cè)結(jié)果表明，此次研究設(shè)計(jì)的沿空巷道支護(hù)參數(shù)及護(hù)巷煤柱寬度較合理，沿空巷道表面變形量在合理可控范圍內(nèi)，提高了資源利用率及生產(chǎn)的安全性，可在后續(xù)工作面推廣使用。