劉子堅(jiān)

（山西新景礦有限責(zé)任公司，山西 陽泉 045000）

我國能源儲量豐富，能源格局呈現(xiàn)出多煤、少油、貧氣的形式，在未來很長時(shí)間的發(fā)展過程中，煤炭資源將起到支柱性作用。目前我國煤炭約90%部分為井工開采，需要大量的巷道掘進(jìn)作業(yè)，其中大部分巷道采取煤柱護(hù)巷。目前按照煤柱留設(shè)的不同，可分為寬煤柱護(hù)巷、在采空區(qū)上區(qū)段巷道和采空區(qū)的邊緣留設(shè)小煤柱護(hù)巷方式[1-2]。在高應(yīng)力下巷道煤柱的留設(shè)寬度需要較寬，嚴(yán)重限制了采出率，因此選定合理的煤柱留設(shè)寬度對于礦井開采十分重要。此前較多的學(xué)者對煤柱留設(shè)寬度進(jìn)行過一定的研究[3-4]，本文以新景礦3216 工作面為研究背景，通過數(shù)值模擬結(jié)合現(xiàn)場實(shí)踐的研究方法，對合理煤柱留設(shè)寬度下沿空留巷圍巖控制進(jìn)行研究，為礦井降本增效作出一定的貢獻(xiàn)。

1 概況

新景礦位于陽泉市西部，井田煤層貯藏穩(wěn)定，均為優(yōu)質(zhì)無煙煤?？刹擅簩? 層，主采3#、8#、15#煤。3216 綜采工作面位于525 m 水平，工作面標(biāo)高517～556 m，埋藏深度為460～530 m。本工作面走向長1390 m，傾斜長216 m，面積300 240 m2。本工作面井下位于3#煤佛洼采區(qū)北部，東為3214工作面（已采），南隔采區(qū)煤柱為3215 工作面（未采），西為3218 工作面（正掘），北為保安3117工作面（未采）。工作面所采3#煤層總體賦存穩(wěn)定，結(jié)構(gòu)簡單，一般含1 層夾石；煤層以鏡煤、亮煤為主，內(nèi)生裂隙發(fā)育。工作面煤層總厚2.19～2.79 m，平均厚度2.39 m；煤層結(jié)構(gòu)為0.47（0.04）1.88；煤層傾角2°～9°，平均傾角5°；可采指數(shù)1；變異系數(shù)5.9%，儲存穩(wěn)定。

2 數(shù)值模擬研究

巷道的穩(wěn)定性很大程度上受到煤柱寬度的影響，根據(jù)3#煤層的覆存條件利用數(shù)值模擬軟件對合理煤柱留設(shè)寬度進(jìn)行計(jì)算，利用數(shù)值模擬軟件FLAC3D建立模型長寬高為150 m×40 m×50.8 m 的模型，對模型的邊界進(jìn)行約束設(shè)置，給定巖層的物理力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 巖層的物理力學(xué)參數(shù)

模擬煤柱寬度5 m、6 m、7 m 和8 m 四種煤柱寬度下的煤柱應(yīng)力分布及位移分布情況，對模型進(jìn)行模擬計(jì)算，繪制不同煤柱寬度下應(yīng)力應(yīng)變分布曲線如圖1。

圖1 不同煤柱寬度下應(yīng)力應(yīng)變分布曲線

從圖1 中可以看出，不同留設(shè)煤柱寬度下煤柱內(nèi)部應(yīng)力分布大致趨勢相同，都隨著距離采空區(qū)側(cè)距離的增加先增大后減小。由于煤柱寬度均為窄煤柱，所以應(yīng)力分布呈現(xiàn)單峰狀。隨著煤柱寬度的增大煤柱內(nèi)部的應(yīng)力峰值呈現(xiàn)逐步減小的趨勢，煤柱寬度5 m、6 m、7 m、8 m 下的應(yīng)力峰值分別為15.11 MPa、17.47 MPa、18.92 MPa 和20.14 MPa，應(yīng)力峰值增大的趨勢逐步減弱。不同煤柱寬度下巷道圍巖的變形變化趨勢較為復(fù)雜。當(dāng)煤柱寬度大于7 m 時(shí)，隨著煤柱寬度的增大巷道圍巖變形呈現(xiàn)減小的趨勢；煤柱寬度為6 m 時(shí)，巷道頂板下沉量最小，為283.5 mm。綜合巷道頂板下沉量、底板底鼓量及煤柱位移量等指標(biāo)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)煤柱寬度為6 m 時(shí)，巷道圍巖控制效果最佳。

3 支護(hù)方案

在確定煤柱留設(shè)寬度后，對沿空掘巷的圍巖進(jìn)行支護(hù)。支護(hù)方案的確定充分考慮類似工程的支護(hù)經(jīng)驗(yàn)，并通過數(shù)值模擬計(jì)算支護(hù)參數(shù)。根據(jù)模擬計(jì)算給出頂板錨桿間距為900 mm×900 mm，幫錨桿間距為900 mm×900 mm。

巷道采用錨索錨網(wǎng)聯(lián)合支護(hù)，具體支護(hù)方案為：錨桿采用左旋無縱筋螺紋鋼錨桿，錨桿參數(shù)為Ф20 mm×2200 mm，錨桿孔深度為2100 mm；幫錨桿采用圓鋼錨桿，錨桿參數(shù)為Ф18 mm×2000 mm，錨桿孔深度為1900 mm。錨固劑選用Z2360 樹脂錨固劑，頂部錨桿2 支，幫錨桿1 支，錨索3 支。錨索選用鋼絞線，參數(shù)為Ф17.8 mm×7200 mm，托板采用鋼托板，尺寸為125 mm×125 mm×10 mm，錨索的間排距為1700 mm×1800 mm。支護(hù)網(wǎng)采用網(wǎng)格100 mm×100 mm 的鋼筋網(wǎng)片組成，支護(hù)斷面圖如圖2。

圖2 支護(hù)斷面圖（mm）

4 現(xiàn)場實(shí)踐

由于施工過程中存在很多不確定因素，所以在確定理論參數(shù)后需要進(jìn)行工程驗(yàn)證，以此來確定煤柱寬度及支護(hù)方案的可行性。為了保證檢測具有代表性，所以在設(shè)定測站時(shí)，需要將測站均勻布置，且盡量布置在連續(xù)性較好的位置，在測站的巷道表面及巷道兩側(cè)布置錨索、錨桿測力計(jì)。具體試驗(yàn)地點(diǎn)檢測儀布置位置見表2。

表2 試驗(yàn)地點(diǎn)布置表

監(jiān)測共布置10 個(gè)測站，對掘進(jìn)過程的30 d 和回采階段的40 d，共70 d 的圍巖變形量及變形速度進(jìn)行監(jiān)測。圍巖變形量及變形速度曲線如圖3。

圖3 圍巖變形量及變形速度曲線

從圖3 中可以看出，巷道變形量隨著與回采工作面距離的增加呈現(xiàn)逐步減小的趨勢。當(dāng)在工作面前端0～25 m 的范圍時(shí)，工作面由于受到超前支撐應(yīng)力的作用圍巖變形較大，此時(shí)兩幫的移近量最大值為372 mm，而頂板與底板的移近量為724 mm，同時(shí)與工作面距離越近，圍巖變形的速率越快，在0～25 m 的范圍內(nèi)時(shí)，巷道頂板及底板的移近量變化速度呈逐步減小的趨勢，最大值為105 mm/d，兩幫移近量的變化趨勢與頂板底板移近量類似，兩幫變形速度最大值為42 mm/d，此時(shí)巷道受到支撐壓力的影響較大；當(dāng)距離工作面的距離增大至25 m 以上時(shí)，巷道頂板底板移近量及兩幫移近量幾乎不發(fā)生變化，此時(shí)的頂板底板移近量變化速度及兩幫移近量變化速度無明顯變化，可以看出在此范圍內(nèi)時(shí)側(cè)向支撐壓力穩(wěn)定，礦壓顯現(xiàn)較為緩和。在煤柱寬度6 m 及設(shè)計(jì)的巷道支護(hù)方案下，較為有效地控制了支撐壓力下的變形量，較好地保證了巷道的安全開采，所以設(shè)計(jì)合理。

5 結(jié)論

（1）利用數(shù)值模擬軟件對不同寬度煤柱應(yīng)力及巷道變形曲線進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)當(dāng)煤柱寬度為6 m時(shí)頂板下沉量、底板底鼓量及煤柱位移量等控制效果較好。

（2）在確定煤柱留設(shè)寬度后，對沿空掘巷的圍巖進(jìn)行支護(hù)設(shè)計(jì)，支護(hù)方案在充分考慮類似工程的支護(hù)經(jīng)驗(yàn)的同時(shí)借助模擬軟件，確定了錨索錨網(wǎng)聯(lián)合支護(hù)方案。

（3）通過現(xiàn)場實(shí)踐，驗(yàn)證了煤柱寬度6 m 及設(shè)計(jì)的巷道支護(hù)方案的可行性，較好地保證了巷道的安全開采。