馬 賽

(晉能控股煤業(yè)集團(tuán) 浙能麻家梁煤業(yè)有限公司，山西 朔州 036000)

麻家梁煤礦位于朔南礦區(qū)南部，礦井工作面區(qū)段煤柱寬度為38 m，回采期間巷道礦壓顯現(xiàn)強(qiáng)烈，巷道發(fā)生劇烈變形[1-2]，嚴(yán)重影響了工作面的安全，制約了礦井高產(chǎn)高效開(kāi)采。為解決巷道的維護(hù)問(wèn)題，除了首先改進(jìn)巷道支護(hù)方式以外，而更重要的應(yīng)從巷道的合理區(qū)段煤柱寬度入手，盡可能地降低巷道的圍巖應(yīng)力，才能從根本上改善巷道的維護(hù)狀況。因此，研究特厚煤層綜放工作面回采巷道區(qū)段煤柱寬度，對(duì)控制臨空巷道圍巖變形、實(shí)現(xiàn)礦井安全高效開(kāi)采具有重要意義[3-4]。

1 工程概況

14203-1綜放工作面位于井田二采區(qū)的東部，為孤島工作面。工作面北部為二采區(qū)4條盤(pán)區(qū)大巷，西部為14204工作面采空區(qū)，南部為實(shí)體煤，東部為14202工作面采空區(qū)。工作面采用一進(jìn)一回兩巷布置，14203-1膠帶運(yùn)輸巷和14203-1輔助運(yùn)輸巷均沿煤層底板掘進(jìn)。其中，該工作面早期掘進(jìn)完成一條輔助運(yùn)輸巷(14203輔助運(yùn)輸巷)，與14202工作面區(qū)段煤柱寬度為19.5 m。14202工作面回采期間，受采動(dòng)礦壓影響，14203輔助運(yùn)輸巷里程900 m以里變形嚴(yán)重。14203-1膠帶運(yùn)輸巷采用小煤柱沿空掘巷技術(shù)，煤柱寬度為7 m?，F(xiàn)以14203-1輔助運(yùn)輸巷區(qū)段煤柱寬度為對(duì)象進(jìn)行研究。工作面布置如圖1所示。

圖1 14203-1工作面布置平面圖

工作面主采二疊系山西組4號(hào)煤層，煤層平均埋深600 m，全煤厚度6.25～12.23 m，平均9.24 m，煤層結(jié)構(gòu)復(fù)雜，含夾矸1～4層，夾矸厚0.02～0.82 m，夾矸巖性為黑色高嶺巖、褐灰色高嶺質(zhì)泥巖、灰黑色炭質(zhì)泥巖。直接頂為砂質(zhì)泥巖，厚度為7.64 m；基本頂為中粒砂巖，厚度為7.26 m；直接底為高嶺質(zhì)泥巖，厚度為1.37 m，老底為細(xì)砂巖，厚度為5.51 m。

為進(jìn)一步了解14203-1輔助運(yùn)輸巷的應(yīng)力環(huán)境，在工作面附近已掘巷道中選取兩個(gè)測(cè)點(diǎn)采用水壓致裂法進(jìn)行原巖應(yīng)力測(cè)量，第一測(cè)點(diǎn)和第二測(cè)點(diǎn)分別布置在14204輔助運(yùn)輸巷2 620 m和2 800 m處(14204輔助運(yùn)輸巷掘進(jìn)期間測(cè)定)。原巖應(yīng)力測(cè)試結(jié)果分析如下：第一測(cè)點(diǎn)最大水平主應(yīng)力為22.50 MPa，最小水平主應(yīng)力為11.60 MPa，垂直應(yīng)力為15.78 MPa；第二測(cè)點(diǎn)最大水平主應(yīng)力為26.26 MPa，最小水平主應(yīng)力為13.39 MPa，垂直應(yīng)力為15.80 MPa；根據(jù)科研報(bào)告可知：低應(yīng)力區(qū)范圍為0～10 MPa，中等應(yīng)力區(qū)范圍為10～18 MPa，高應(yīng)力區(qū)范圍為18～30 MPa，超高應(yīng)力區(qū)范圍為大于30 MPa。所以，測(cè)試范圍內(nèi)的原巖應(yīng)力場(chǎng)在量值上屬于高應(yīng)力區(qū)。

2 工作面回采巷道區(qū)段煤柱寬度確定原則

區(qū)段煤柱寬度確定需要考慮回采工作面周?chē)С袎毫Ψ植家?guī)律，工作面采動(dòng)造成的支承應(yīng)力危害同系煤層的巷道穩(wěn)定，減弱、避開(kāi)支承應(yīng)力的影響，以達(dá)到巷道穩(wěn)定性改善的目的，是確定區(qū)段煤柱寬度的基本準(zhǔn)則。具體如下：

1) 有效控制巷道圍巖變形，保證巷道安全?；夭上锏罁?dān)負(fù)的工作面運(yùn)輸、通風(fēng)、排水、行人、動(dòng)力供應(yīng)等任務(wù)，需要確保圍巖得到控制，煤柱寬度必須將巷道布置在有利的應(yīng)力環(huán)境，確保安全。

2) 緩解二采區(qū)接替緊張局面。14203輔助運(yùn)輸巷已到位，與14202工作面區(qū)段煤柱為19.5 m，受14202工作面采動(dòng)影響，里程900 m以里變形嚴(yán)重。由于二采區(qū)采掘銜接緊張，需要利用14203輔助運(yùn)輸巷未變形區(qū)域，減少圈面時(shí)間。

3) 提高采區(qū)回采率。14203-1工作面為孤島工作面，工作面布置長(zhǎng)度有限，縮短區(qū)段煤柱寬度等效為增大工作面傾斜長(zhǎng)度。提高工作面采出率可以延長(zhǎng)礦井服務(wù)年限，實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展，有利于礦井安全高產(chǎn)高效。

基于以上原則，結(jié)合14203-1工作面現(xiàn)場(chǎng)情況，決定14203-1輔助運(yùn)輸巷利用14203輔助運(yùn)輸巷充當(dāng)卸壓巷，然后向工作面方向拐刀把掘進(jìn)新巷道，巷道布置如圖2所示。

圖2 14203-1工作面回采巷道布置方式圖

3 工作面回采巷道區(qū)段煤柱寬度確定

在巷道一側(cè)布置卸壓巷硐的原理是在回采巷道與采空區(qū)之間的區(qū)段煤柱中再掘進(jìn)出一條巷道，將區(qū)段煤柱一分為二，形成的小煤柱是讓壓煤柱，大煤柱是承載煤柱，巷道周?chē)闹С袘?yīng)力分布規(guī)律如圖3所示，卸壓巷道能夠吸收承載煤柱在高應(yīng)力作用下產(chǎn)生的大變形，使被保護(hù)巷道圍巖變形量減少70%～90%.

圖3 卸壓巷布置及應(yīng)力分布圖

卸壓巷道能否起到卸壓效果，主要在于3個(gè)關(guān)鍵參數(shù)的選取是否合理：卸壓巷道的尺寸d，支承煤柱的尺寸Lu，讓壓煤柱的尺寸Ln，卸壓巷道要具備相應(yīng)的空間能夠使支承煤柱充分破壞、變形。

14203輔助運(yùn)輸巷(卸壓巷)寬度d=5 m，與14202采空區(qū)區(qū)段煤柱(支承煤柱)寬度Lu=19.5 m，需要確定讓壓煤柱的寬度Ln。

1) 讓壓煤柱上的總荷載，計(jì)算如下：

P=LpγH

(1)

(2)

式中：γ為上覆巖層的體積力，取25 kN/m3；H為巷道埋深，取600 m；b為巷道寬度，取5.5 m。

2) 讓壓煤柱承受的極限荷載，計(jì)算如下：

Q=LnR(Ln/M)2/3

(3)

式中：R為讓壓煤柱的極限抗壓強(qiáng)度，取10 MPa；M為卸壓巷高度，取3.8 m。

3) 讓壓煤柱寬度，計(jì)算如下：

Q=kP

(4)

式中：k為工作面超前支承壓力集中系數(shù)，取3。

聯(lián)立式(1)、式(2)、式(3)、式(4)可求得讓壓煤柱的寬度Ln=3.8 m，結(jié)合幫部錨索施工需要取Ln=5 m。14203-1輔助運(yùn)輸巷與卸壓巷(14203輔助運(yùn)輸巷)間的煤柱寬度取為5 m。

4 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

14203-1輔助運(yùn)輸巷采用“錨桿+W鋼帶+錨索+JW鋼帶+金屬網(wǎng)”耦合支護(hù)方案，在巷道圍巖內(nèi)形成連續(xù)、穩(wěn)定承載結(jié)構(gòu)，支護(hù)斷面如圖4所示。

圖4 14203-1輔助運(yùn)輸巷支護(hù)斷面圖(mm)

巷道圍巖變形量是衡量巷道礦壓顯現(xiàn)程度的重要指標(biāo)。為及時(shí)掌握巷道圍巖控制效果，掘進(jìn)期間重點(diǎn)對(duì)圍巖表面位移和頂板離層進(jìn)行觀測(cè)，礦壓監(jiān)測(cè)結(jié)果如圖5和圖6所示。

圖5 巷道表面位移監(jiān)測(cè)曲線

圖6 巷道頂板離層監(jiān)測(cè)曲線

監(jiān)測(cè)結(jié)果表明：14203-1輔助運(yùn)輸巷從掘進(jìn)到穩(wěn)定兩幫最大移近量為142 mm，頂?shù)装遄畲笠平繛?43 mm，兩幫最大移近速率15 mm/d，頂?shù)装遄畲笠平俾?6 mm/d，巷道開(kāi)挖初期圍巖變形較快，之后逐漸減小，11 d后巷道變形速率平緩；巷道頂板離層深基點(diǎn)離層值最大為36 mm，淺基點(diǎn)離層值最大為25 mm，淺基點(diǎn)與深基點(diǎn)之間離層值最大為11 mm，且離層量小，在可控范圍內(nèi)。

5 結(jié) 語(yǔ)

1) 根據(jù)在巷道一側(cè)布置卸壓巷的原理計(jì)算出讓壓煤柱寬度為3.8 m，同時(shí)結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)煤柱側(cè)施工錨索需要，確定讓壓煤柱的合理寬度為5 m，同時(shí)也為治理巷道圍巖變形提供了一種治理手段。

2) 14203-1輔助運(yùn)輸巷合理的區(qū)段煤柱寬度及圍巖控制技術(shù)能夠滿足生產(chǎn)需求，保證了巷道圍巖安全，提高了工作面煤炭資源采出率，為礦井及朔南礦區(qū)后續(xù)孤島工作面的巷道布置提供了理論依據(jù)。