徐凱

（太原正越工程設(shè)計(jì)有限公司 山西 太原 030000）

0 引言

隨著煤礦機(jī)械化、智能化水平的不斷提高，礦井生產(chǎn)能力和生產(chǎn)效率顯著提升，導(dǎo)致采掘接替緊張現(xiàn)象普遍存在于多數(shù)礦井中[1-2]。窄煤柱沿空掘巷作為一種可有效提高工作面煤炭資源回采率巷道施工技術(shù)，在我國(guó)各大礦區(qū)得以廣泛應(yīng)用[3]。但護(hù)巷煤柱寬度直接決定了沿空留巷成功與否。護(hù)巷煤柱寬度過大會(huì)致使大量寶貴煤炭資源滯留井下，且易產(chǎn)生應(yīng)力集中；煤柱寬度過小則會(huì)增大巷道圍巖控制難度，增大巷道維護(hù)成本[4]。對(duì)此，薛永軍采用理論分析和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)的方式確定了正利煤礦14-1105工作面回采巷道護(hù)巷煤柱合理寬度為6 m[5]。為類似條件工作面沿空掘巷護(hù)巷窄煤柱合理寬度的確定提供一定的參考。

1 工程概況

山西某礦位于山西境內(nèi)，設(shè)計(jì)產(chǎn)能為45 萬t/年?？刹擅簩訛镵3和K9煤，其中K3煤平均厚度1 m，平均傾角10.5°；K9 煤平均厚度為1.43 m，平均傾角10.5°；K3 和K9 煤均為全區(qū)穩(wěn)定可采煤層。上一21904 工作面位于K9煤+1 450 m水平上山一采區(qū)，采用走向長(zhǎng)壁式采煤，一次采全高，全部垮落法管理頂板。上一21904 工作面煤層直接頂為粉砂質(zhì)泥巖，厚度為2.06 m；老頂為細(xì)中砂巖，平均厚度為6.12 m；直接底為泥質(zhì)粉砂巖，平均厚度為0.87 m；老底為中粒砂巖，平均厚度為10.52 m。上一21904工作面南鄰上一21906工作面采空區(qū)，北為上一21902工作面（設(shè)計(jì)），西為井田邊界，東為采區(qū)大巷，工作面具體布置情況如圖1 所示。上一21904回風(fēng)巷沿K9煤頂板掘進(jìn)，采用梯形頂板傾斜斷面。上一21906工作面已于2021年4月回采完畢，目前礦井僅剩東翼21903 回采工作面正在回采。該礦以往區(qū)段煤柱留設(shè)寬度多為35 m，不僅導(dǎo)致大量寶貴煤炭資源永久滯留井下，降低了工作面回采率，還導(dǎo)致回采巷道布置在應(yīng)力升高區(qū)內(nèi)，巷道變形較大，增大了巷道維護(hù)成本。為了提高工作面煤炭資源回采率，決定對(duì)上一21904 回風(fēng)巷采用沿空掘巷技術(shù)進(jìn)行施工。

圖1 工作面布置圖

2 煤柱合理寬度數(shù)值模擬研究

2.1 模型建立

為驗(yàn)證煤柱寬度理論計(jì)算結(jié)果的合理性，根據(jù)上一21904 工作面實(shí)際工程地質(zhì)條件，采用FLAC3D數(shù)值模擬軟件分別對(duì)寬度為3 m、4 m、5 m、6 m 和7 m 時(shí)煤柱內(nèi)垂直應(yīng)力分布情況進(jìn)行模擬研究。數(shù)值模型尺寸為180 m×80 m×50 m（長(zhǎng)×寬×高），采用摩爾-庫倫計(jì)算準(zhǔn)則，雙屈服模型模擬采空區(qū)，模型四周限制水平方向位移，模型下部限制垂直方向位移，在模型上部施加7.25 MPa 的均布載荷以等效上覆巖層重力，煤巖層力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 煤巖層物理力學(xué)參數(shù)

2.2 數(shù)值模擬結(jié)果與分析

不同煤柱寬度煤柱內(nèi)垂直應(yīng)力分布特征見圖2。

圖2 不同煤柱寬度下煤柱內(nèi)垂直應(yīng)力分布曲線

由圖2可知，隨煤柱寬度的增大，煤柱內(nèi)垂直應(yīng)力逐漸由對(duì)稱型分布轉(zhuǎn)變?yōu)槠d型分布，即寬度較大的煤柱內(nèi)垂直應(yīng)力易向采空區(qū)側(cè)偏移，導(dǎo)致采空區(qū)側(cè)煤柱幫更易因應(yīng)力集中而發(fā)生較大變形。此外，當(dāng)煤柱寬度由3 m 增大至5 m 時(shí)，煤柱內(nèi)垂直應(yīng)力峰值由16.99 MPa 劇增至37.86 MPa，增幅達(dá)到122.84%；而當(dāng)煤柱寬度由5 m增大至7 m時(shí)，煤柱內(nèi)垂直應(yīng)力峰值則由37.86 MPa 增至38.85 MPa，增幅僅為2.62%。由此可見，當(dāng)煤柱寬度小于5 m時(shí)，煤柱尚不具有足夠的承載能力，從而表現(xiàn)出煤柱內(nèi)垂直應(yīng)力峰值隨其寬度的增大而劇增的現(xiàn)象；而當(dāng)煤柱寬度增大至5 m時(shí)，煤柱內(nèi)垂直應(yīng)力基本呈對(duì)稱分布，且隨煤柱寬度的增大煤柱內(nèi)垂直應(yīng)力峰值無顯著增加，表明寬度為5 m 的煤柱已具有足夠的承載能力，其內(nèi)部具有一定寬度的彈性核區(qū)（有效承載區(qū)）。綜合考慮到煤柱承載能力和煤炭資源回采率，確定護(hù)巷窄煤柱的合理寬度為5 m。相較于留設(shè)20 m 寬的區(qū)段煤柱，21904 工作面可多回采煤炭約112萬t，可提高經(jīng)濟(jì)效益約5億元。

3 工業(yè)性試驗(yàn)

3.1 巷道支護(hù)設(shè)計(jì)

由數(shù)值模擬結(jié)果可知，上一21904 回風(fēng)巷在與上一21906 工作面采空區(qū)間留設(shè)寬度為5m 的護(hù)巷窄煤柱后進(jìn)行沿空掘巷。雖然上一21904 回風(fēng)巷沿K9 煤頂板巖層掘進(jìn)，但21904 回風(fēng)巷屬于受一次采動(dòng)影響巷道，采空區(qū)側(cè)巷幫相較于煤壁側(cè)巷幫更易發(fā)生變形，因此在基于21906 工作面回采巷道支護(hù)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，提出對(duì)上一21904回風(fēng)巷進(jìn)行非對(duì)稱支護(hù)，支護(hù)設(shè)計(jì)斷面如圖3所示，具體支護(hù)參數(shù)如下：

圖3 巷道支護(hù)斷面圖

（1）頂板支護(hù)：上一21904 回風(fēng)巷頂板采用?18×1 700 mm 螺紋鋼錨桿，間排距為700 mm×700 mm，所有頂板錨桿均垂直于巷道頂板布置，并配套使用規(guī)格為100×100×10 mm正方形碗狀鋼托盤和長(zhǎng)×寬為3 200 mm×800 mm 的菱形金屬網(wǎng)。頂板錨索采用?17.8×5 400 mm 的 1×7 股鋼絞線，間排距為 1 400 mm×1 400 mm，兩錨索對(duì)稱于巷道中心線布置，距巷道中心線距離為700 mm，配套使 用150×150×15 mm 的蝶形鋼板托盤。

（2）巷幫支護(hù)：采空區(qū)側(cè)巷幫采用?18×1 700 mm螺紋鋼錨桿，煤壁側(cè)巷幫采用?18×1 700 mm 玻璃鋼錨桿，間排距均為700 mm×700 mm，并配套使用規(guī)格為100×100×10 mm 正方形碗狀鋼托盤和長(zhǎng)×寬為2 400 mm×800 mm的菱形金屬網(wǎng)。

3.2 巷道圍巖變形觀測(cè)與分析

為了掌握上一21904 回風(fēng)巷留設(shè)5 m 寬護(hù)巷窄煤柱進(jìn)行沿空掘巷的效果，在巷道施工過程中，在巷道內(nèi)每50 m布置一個(gè)巷道表面移近量觀測(cè)站，測(cè)站位置設(shè)置一個(gè)觀測(cè)斷面，觀測(cè)斷面設(shè)4 個(gè)檢測(cè)點(diǎn)，即頂板、底板及兩幫各設(shè)一個(gè)；測(cè)點(diǎn)布置后，每天對(duì)巷道表面移近量觀測(cè)一次，觀測(cè)結(jié)果見圖4。

由圖4 可知，巷道圍巖相對(duì)移近量隨觀測(cè)時(shí)間呈現(xiàn)出先快速增長(zhǎng)后趨于穩(wěn)定的變化趨勢(shì)，即在0 d～22 d時(shí)，巷道頂?shù)装搴蛢蓭拖鄬?duì)移近量均快速增大，而在22 d 以后，巷道頂?shù)装搴蛢蓭拖鄬?duì)移近量均無顯著變化。由此可知，在巷道掘進(jìn)22 d范圍內(nèi)，巷道掘進(jìn)所產(chǎn)生的擾動(dòng)打破了巷道圍巖的應(yīng)力平衡狀態(tài)，在此期間巷道圍巖發(fā)生變形以形成新的應(yīng)力平衡狀態(tài)。而在巷道掘進(jìn)22 d以后，巷道圍巖新的應(yīng)力平衡狀態(tài)已經(jīng)形成，巷道圍巖變形趨于穩(wěn)定。此外，在巷道掘進(jìn)60 d范圍內(nèi)，巷道頂?shù)装搴蛢蓭拖鄬?duì)移近量最大值分別為77.89 mm和117.87 mm，變形量均在設(shè)計(jì)允許范圍內(nèi)，表明留設(shè)寬度為5 m 的護(hù)巷窄煤柱并進(jìn)行支護(hù)后，巷道圍巖變形控制效果較好，為巷道穩(wěn)定和工作面安全生產(chǎn)提供了保障。

圖4 巷道圍巖相對(duì)移近量曲線

4 結(jié)語

（1）結(jié)合山西某礦上一21904 工作面實(shí)際生產(chǎn)地質(zhì)條件，采用FLAC3D數(shù)值模擬軟件，對(duì)比分析了煤柱寬度為3 m、4 m、5 m、6 m和7 m時(shí)，煤柱內(nèi)垂直應(yīng)力的分布特征，確定了護(hù)巷窄煤柱合理寬度為5 m。相較于留設(shè)20 m 寬的區(qū)段煤柱，21904 工作面可多回采煤炭約112萬t，可提高經(jīng)濟(jì)效益約5億元。

（2）參考上一21906工作面回采巷道支護(hù)參數(shù)，并考慮上一21904 回風(fēng)巷受采動(dòng)影響的變形特征，進(jìn)行了具體支護(hù)設(shè)計(jì)，現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用結(jié)果表明：巷道頂?shù)装搴蛢蓭拖鄬?duì)移近量最大值分別為77.89 mm 和117.87 mm，巷道圍巖變形控制效果良好。