張亞軍

（晉能控股煤業(yè)公司挖金灣虎龍溝煤業(yè)有限公司，山西 懷仁 038300）

在煤礦沒(méi)有沿空留巷工藝時(shí)，綜采工作面的護(hù)巷煤柱留設(shè)寬度一般為20～30 m，用來(lái)改善巷道圍巖應(yīng)用環(huán)境以控制變型。該技術(shù)方法巷道維護(hù)效果顯著，但會(huì)造成煤炭資源嚴(yán)重浪費(fèi)。小煤柱沿空掘巷技術(shù)[1-5]具有提高煤炭回收率、緩解采掘接替緊張的優(yōu)點(diǎn)，在厚煤層綜采工作面中應(yīng)用非常廣泛。

1 工程概況

晉能控股煤業(yè)公司挖金灣虎龍溝煤礦位于山西省懷仁縣鵝毛口鎮(zhèn)，核定生產(chǎn)能力為120 萬(wàn)t/a，開(kāi)采面積為8.921 7 km2，主要開(kāi)采石炭系5#、8#煤層。81511 工作面位于東盤(pán)區(qū)1060 m 水平，主采5#煤，煤層平均厚度為12.87 m，煤層平均傾角為2°。煤層直接頂為1.8 m 的高嶺石泥巖，基本頂為16.9 m 的粗砂巖，直接底為1.98 m 的砂質(zhì)泥巖，基本底為4.21 m 的高嶺石。工作面設(shè)計(jì)采用綜采放頂煤采煤工藝，ZF13000/25/38 型綜放液壓支架106架，MG650/1630-WD 型雙滾筒采煤機(jī)1 臺(tái)，SGZ-800/800 型中雙鏈刮板輸送機(jī)1 臺(tái)。

此前，5#煤工作面的護(hù)巷煤柱留設(shè)寬度為30 m，造成資源嚴(yán)重浪費(fèi)。因此，決定在81511 工作面正巷進(jìn)行小煤柱沿空掘巷的工業(yè)性試驗(yàn)。81511 工作面正巷巷道為矩形，巷道沿5#煤層底板掘進(jìn)，尺度規(guī)格為寬度×高度=5000 mm×3600 mm。

2 小煤柱留設(shè)寬度的確定

2.1 理論計(jì)算

護(hù)巷煤柱的寬度過(guò)大，會(huì)造成煤炭資源浪費(fèi)，寬度過(guò)窄會(huì)造成應(yīng)力集中，無(wú)法控制沿空巷道圍巖。因此，必須設(shè)定合理的煤柱留設(shè)寬度。采用極限平衡理論可建立力學(xué)模型，如圖1。

圖1 最小護(hù)巷煤柱留設(shè)寬度計(jì)算模型圖

從圖中可知，81511 工作面正巷最小護(hù)巷煤柱留設(shè)寬度X的計(jì)算公式為：

X=x1+x2+x3

式中：X為最小護(hù)巷煤柱留設(shè)寬度，m；x1為上區(qū)段工作面開(kāi)采中產(chǎn)生的塑性破壞區(qū)寬度，取2.05 m；x2為本巷道工作面開(kāi)采產(chǎn)生的塑性破壞區(qū)寬度，取4.76 m；x3為安全寬度，一般x3=（0.15～0.45）（x1+x2）m。

經(jīng)計(jì)算，81511 工作面正巷最小護(hù)巷煤柱留設(shè)寬度X為7.83～9.87 m。

2.2 數(shù)值模擬

基于小煤柱最小護(hù)巷煤柱留設(shè)寬度X的理論計(jì)算結(jié)果，分別選取7 m、8 m、9 m、10 m 煤柱方案，應(yīng)用FLAC3D數(shù)值模擬軟件對(duì)不同煤柱寬度下巷道圍巖應(yīng)力分布、塑性區(qū)分布進(jìn)行數(shù)值模擬。

從數(shù)值模擬結(jié)果可知，當(dāng)煤柱寬度從7 m 增加到10 m 的過(guò)程中，煤柱垂直應(yīng)力峰值呈現(xiàn)為線性增長(zhǎng)關(guān)系，但增長(zhǎng)變化趨勢(shì)較緩。當(dāng)7 m 煤柱時(shí)，垂直應(yīng)力峰值最小，為17.55 MPa，小于原巖應(yīng)力；當(dāng)8 m 煤柱時(shí)，垂直應(yīng)力峰值為18.51 MPa，此時(shí)與原巖應(yīng)力相等。

當(dāng)煤柱為7 m 時(shí)，煤柱內(nèi)部完全破壞，由于煤層傾角的作用明顯，巷道煤柱側(cè)幫側(cè)壓較大，巷道底板大面積破壞；當(dāng)煤柱為8 m 時(shí)，煤柱中部未破壞區(qū)域范圍擴(kuò)大，圍巖完整區(qū)域擴(kuò)大，煤柱穩(wěn)定性好；當(dāng)煤柱為9 m 時(shí)，煤柱中部未破壞區(qū)域范圍進(jìn)一步擴(kuò)大，圍巖完整區(qū)域進(jìn)一步擴(kuò)大，煤柱穩(wěn)定性非常好；當(dāng)煤柱為10 m 時(shí)，煤柱完整區(qū)域與巷道頂板圍巖區(qū)域連通，形成了一個(gè)整體，煤柱穩(wěn)定性理想。

綜合煤柱垂直應(yīng)力峰值和塑性區(qū)分布情況，81511 工作面沿空掘巷小煤柱最小護(hù)巷煤柱合理寬度為8 m，此時(shí)煤柱具有較好的承載能力，又可以不造成煤炭資源浪費(fèi)。

3 巷道變形特征及控制機(jī)理分析

3.1 變形特征

巷道圍巖是由頂板、兩幫和底板組成的復(fù)合結(jié)構(gòu)體，小煤柱巷道的失穩(wěn)是其頂板、底板、回采幫和小煤柱幫變形到一定程度發(fā)生失穩(wěn)。在巖體內(nèi)開(kāi)掘巷道后，其原有的應(yīng)力場(chǎng)會(huì)重新分布，因此，巷道受到上工作面回采時(shí)超前支承壓力及側(cè)向支承壓力的影響發(fā)生形變；頂板巖層的塑性變形和上覆巖層離層位移的變化造成頂板下沉；巷道兩幫在進(jìn)入塑性狀態(tài)后發(fā)生的失穩(wěn)破壞現(xiàn)象加劇了頂板下沉量。煤巖體進(jìn)入塑性狀態(tài)后將喪失承載能力，支撐頂板的能力降低，頂板離層、下沉速度變大，加劇兩幫的破壞，進(jìn)而形成了“頂下沉-幫外鼓-頂下沉”的變形特征循環(huán)。

3.2 控制對(duì)策

從巷道變形特征可知，對(duì)于厚煤層巷道支護(hù)問(wèn)題，應(yīng)該從頂幫兩方面加強(qiáng)支護(hù)，其巷道變形控制對(duì)策為：

（1）采用高強(qiáng)錨桿支護(hù)系統(tǒng)對(duì)厚煤層沿空掘巷進(jìn)行支護(hù)。高強(qiáng)度錨桿的應(yīng)用，能減少頂板煤體裂隙的產(chǎn)生，抑制頂板的彎曲，減少塑性區(qū)的發(fā)展，進(jìn)而有效維護(hù)巷道頂板的安全穩(wěn)定。

（2）提高錨索性能。調(diào)整常規(guī)D17.8 mm 的7絲鋼絞線為新型1×19 結(jié)構(gòu)D21.6 mm 鋼絞線，錨索的破斷載荷提高到510 kN，延伸率提高到7%，在破碎頂板巷道的支護(hù)效果較為理想。

3.3 控制技術(shù)

根據(jù)厚煤層巷道的變形特征及控制機(jī)理分析，提出了頂板、巷幫雙桁架支護(hù)技術(shù)，如圖2。

圖2 頂幫雙桁架支護(hù)原理

采用連接器將兩根頂錨索連接在一起，從而形成桁架，錨索與頂板之間形成了線接觸，載荷能在二者之間形成連續(xù)傳遞，進(jìn)而提高煤巖體的抗變形能力。桁架錨索“凹槽形”結(jié)構(gòu)，錨固區(qū)更大范圍煤巖體處于壓應(yīng)力狀態(tài)，承載能力提高，形成強(qiáng)大的閉鎖結(jié)構(gòu)，可以有效控制頂板剪切破壞與變形。

巷道兩幫錨索與槽鋼連接形成了幫錨索-槽鋼桁架，兩幫與槽鋼為面接觸形式，錨索施加較大預(yù)緊力可阻止煤幫的碎脹變形，利用錨索將煤幫淺表應(yīng)力集中部位向深部轉(zhuǎn)移，從而可以有效地實(shí)現(xiàn)對(duì)煤幫變形的控制。

4 工業(yè)性試驗(yàn)

4.1 支護(hù)設(shè)計(jì)

基于理論計(jì)算和FLAC3D數(shù)值模擬結(jié)果，確定了81511 沿空掘巷小煤柱護(hù)巷煤柱寬度為8 m。81511 正巷的支護(hù)方案與支護(hù)參數(shù)如圖3。

圖3 虎龍溝煤礦81511 工作面正巷支護(hù)方案（mm）

4.1.1 頂板支護(hù)

（1）錨桿支護(hù)。頂錨桿為Ф22 mm×2400 mm 型左旋無(wú)縱筋的高強(qiáng)螺紋鋼錨桿，鋼材牌號(hào)BHRB500，破斷載荷210.5 MPa，屈服強(qiáng)度500 MPa，2 節(jié)CK2360 型樹(shù)脂藥卷加長(zhǎng)錨固，錨桿間排900 mm，錨桿排距900 mm，每排布置5 根，采用W 鋼帶連接，規(guī)格為：長(zhǎng)×寬×厚=4800 mm×100 mm×5 mm。

（2）錨索支護(hù)。頂錨索采用桁架錨索與單體錨索聯(lián)合支護(hù)，“三·三”交替布置。錨索桁架Ф21.6 mm×9400 mm，1×19 股高強(qiáng)度延伸率預(yù)應(yīng)力絲鋼絞線制作，鉆孔深度8000 mm，采用3 節(jié)CK2360和2 節(jié)Z2360 樹(shù)脂藥卷加長(zhǎng)錨固。桁架錨索底板跨距2000 mm，兩根錨索向巷道兩幫傾斜15°。

4.1.2 巷幫支護(hù)

（1）錨桿支護(hù)。幫錨桿為Ф22 mm×2400 mm 型左旋無(wú)縱筋的高強(qiáng)螺紋鋼錨桿，采用1 節(jié)CK2360 和1 節(jié)CK2335 樹(shù)脂藥卷加長(zhǎng)錨固，錨桿間排800 mm，錨桿排距900 mm。煤幫布置5 根，采用梯子梁連接，梯子梁采用2 根Ф16 mm、2500 mm 的長(zhǎng)鋼筋棍加工，中間間隔350 mm 使用鋼筋棍加工成橫梁，兩端使用100 mm 的鋼筋棍封閉。

（2）錨索支護(hù)?；夭蓭湾^索為單體錨索，錨索為Ф17.8 mm×4300 mm，鉆孔深度為4000 mm，采用3 節(jié)CK2360 樹(shù)脂藥卷加長(zhǎng)錨固，錨索排距為1800 mm。煤柱幫布置2 根，上位錨索距頂1000 mm，錨索間距為1500 mm，2 根之間采用16 號(hào)槽鋼進(jìn)行連接，排距1800 mm。

4.2 應(yīng)用效果

采用“十字布點(diǎn)法”在81511 正巷布置表面位移測(cè)站，測(cè)站間距50 m，數(shù)據(jù)讀取和記錄為2 d/次，監(jiān)測(cè)時(shí)間為40 d。3 號(hào)測(cè)站觀測(cè)結(jié)果如圖4。

圖4 巷道圍巖表面位移觀測(cè)結(jié)果

由圖中可知，在巷道掘進(jìn)的前27 d 時(shí)間內(nèi)，巷道表面位移量增長(zhǎng)較快，頂板下沉值增大至38 mm，兩幫收斂值增大至21 mm。在22～40 d 時(shí)，巷道圍巖變形已能基本趨于穩(wěn)定，頂板下沉最大值為44.3 mm，兩幫收斂最大值為22.8 mm。

5 結(jié)論

基于理論計(jì)算和數(shù)值模擬結(jié)果確定了81511 厚煤層工作面小煤柱的合理寬度為8 m，提出了沿空掘巷桁架錨索支護(hù)方案，巷道圍巖變形在允許范圍內(nèi)，能夠有效地保障81511 工作面的開(kāi)采安全。