曹海彬

(山西潞安化工集團(tuán)蒲縣開拓煤業(yè)公司，山西 蒲縣 041206)

1 工程概況

山西潞安集團(tuán)蒲縣開拓煤業(yè)有限公司礦井，地處蒲縣喬家灣鄉(xiāng)井上村一帶，行政區(qū)劃屬喬家灣鄉(xiāng)管轄，距蒲縣縣城23 km.開拓煤業(yè)為生產(chǎn)礦井，現(xiàn)階段正開采3號煤層，煤層厚度1.15～2.60 m，平均1.93 m；屬穩(wěn)定可采煤層。根據(jù)采掘巷道的揭露情況，煤層頂板多為泥巖，局部為粉砂巖，底板多為泥巖、炭質(zhì)泥巖，巷道均沿3號煤層底板布置?，F(xiàn)階段在3號煤層一采區(qū)布置有一個(gè)回采工作面和兩個(gè)掘進(jìn)工作面。回采工作面為3107綜采工作面，掘進(jìn)工作面為3109回風(fēng)巷掘進(jìn)工作面和3109進(jìn)風(fēng)巷掘進(jìn)工作面。工作面采掘巷道布置詳情如圖1所示。

圖1 3109工作面采掘工程平面圖

2 維護(hù)狀況

開拓煤業(yè)3號煤層原沿空巷道，支護(hù)方式為錨桿+鋼筋網(wǎng)+錨索+W鋼帶支護(hù)。巷道錨桿主要參數(shù)為：桿體直徑20 mm，桿體長度2.4 m，間距為0.9 m，排距為01.0 m，錨索直徑18.9 mm，長度8.5 m，間距1.8 m，排距3.0 m.以3107進(jìn)風(fēng)巷為例，與采空區(qū)之間留設(shè)15 m煤柱掘巷。由于未合理回避礦山壓力，導(dǎo)致沿空巷道變形嚴(yán)重，服務(wù)期間需多次返修，嚴(yán)重制約工作面安全高效生產(chǎn)。

3 煤柱合理寬度綜合研究

3.1 支承壓力峰值點(diǎn)位置

依據(jù)統(tǒng)計(jì)擬合公式計(jì)算支承壓力峰值點(diǎn)距煤幫的距離B為[1]：

B=15-0.475f0-0.16Rc-0.2α+1.6m+1.7×10-3H

(1)

式中：f0為煤層硬度系數(shù)，取2；Rc為頂板巖石單向抗壓強(qiáng)度，35 MPa；α為煤層傾角，取8°；m為采高，1.93 m；H為煤層深度，取515 m.

將各參數(shù)代入上式算得B=12.8 m，即支承壓力峰值點(diǎn)距煤壁12.8 m.

3.2 應(yīng)力降低區(qū)寬度

工作面回采后，在工作面推進(jìn)方向一側(cè)采空區(qū)邊緣煤層內(nèi)，將形成破裂區(qū)、塑性區(qū)、彈性區(qū)和原巖應(yīng)力區(qū)，基于極限平衡理論推導(dǎo)，采空區(qū)側(cè)煤體內(nèi)塑性破壞深度x0為[2]：

(2)

式中：m為工作面采高，取1.93 m；γ為上覆平均巖層重力密度，取0.025 MN/m3；A為側(cè)壓系數(shù)，取1.5；H為巷道埋深，取515 m；φ0為煤體內(nèi)摩擦角，取30°；C為煤層界面黏聚力，取0.5 MPa；K為應(yīng)力集中系數(shù)，取2.0；P為鄰近工作面巷道煤柱幫支護(hù)強(qiáng)度，取0.07 MPa(錨桿支護(hù))。

將以上參數(shù)代入式(2)，計(jì)算得x0=12.1 m，考慮沿空掘巷寬度為4.6 m，則合理的煤柱寬度不應(yīng)大于12.1-4.6=7.5 m.

3.3 巷道圍巖“應(yīng)力-強(qiáng)度”雙因素協(xié)同

巷道圍巖控制效果是應(yīng)力、圍巖強(qiáng)度和支護(hù)三者共同作用的結(jié)果。采空區(qū)側(cè)向煤體存在應(yīng)力降低區(qū)，這是沿空掘巷得以實(shí)施的基礎(chǔ)環(huán)境。但是與之相對應(yīng)的，應(yīng)力降低區(qū)內(nèi)煤體次生裂隙發(fā)育，強(qiáng)度損傷嚴(yán)重。而隨著深部煤體應(yīng)力增高，其次生裂隙密度逐漸降低，強(qiáng)度損傷程度緩解。不可追求過度低值應(yīng)力，否則難以保證巷道圍巖變形可控。

如圖2所示，煤柱寬度選擇在陰影部分，既使巷道位于低值應(yīng)力區(qū)，又保留了相對低損傷煤體護(hù)幫成巷。根據(jù)前述計(jì)算，煤柱尺寸應(yīng)控制在4～7.5 m之間。

圖2 采空區(qū)側(cè)向煤體應(yīng)力與裂隙度關(guān)系

3.4 有效錨固體寬度

小煤柱兩側(cè)邊緣易松散破碎，需雙向?qū)﹀^后對其形成三向約束維持承載性能。煤柱尺寸應(yīng)以能實(shí)現(xiàn)雙向?qū)﹀^為基準(zhǔn)。上個(gè)工作面巷道煤幫采用D20 mm×2 400 mm螺紋鋼錨桿支護(hù)，工作面回采結(jié)束后煤幫不可退錨。3109工作面沿空掘巷一側(cè)應(yīng)采取規(guī)格不低于D22 mm×2 400 mm螺紋鋼錨桿支護(hù)，加大承載圈厚度，在煤柱中部形成承載核區(qū)。據(jù)此，小煤柱寬度應(yīng)設(shè)置為5～6 m.

3.5 寬高比優(yōu)化

根據(jù)已有工程案例[3-4]，煤柱的寬高比大于0.8時(shí)有助于承壓期間姿態(tài)穩(wěn)定。由此確定煤柱寬度應(yīng)大于2.6 m.

3.6 煤柱寬度確定結(jié)論

總結(jié)上述煤柱寬度確定結(jié)果如圖3所示，由各項(xiàng)確定方法的交集得到最佳煤柱寬度為5～6 m.小煤柱最優(yōu)尺寸的選擇應(yīng)遵循以下原則：①煤柱及沿空巷道應(yīng)力集中程度低；②煤柱幫錨桿能夠錨桿在較穩(wěn)定巖體內(nèi)；③保證巷道圍巖變形在合理范圍內(nèi)；④煤柱能夠起到隔離采空區(qū)的效果；⑤盡量多的回采煤炭資源。綜合考慮以上原則，結(jié)合數(shù)值模擬及理論計(jì)算結(jié)果，確定最優(yōu)煤柱寬度為6.0 m.

圖3 小煤柱寬度的選擇范圍

4 沿空巷道支護(hù)技術(shù)設(shè)計(jì)

4.1 沿空巷道圍巖“卸壓-錨固”一體化協(xié)同控制技術(shù)

工作面回采后，沿空巷道頂板將形成圖4所示結(jié)構(gòu)，頂板“大結(jié)構(gòu)”主動卸壓控制，通過窄煤柱幫的高強(qiáng)支護(hù)，促使堅(jiān)硬頂板沿此位置斷裂，并以斷裂線延伸方向引導(dǎo)老頂以上其它巖層斷裂。主動卸壓不僅轉(zhuǎn)移了頂板斷裂位置，也縮短了沿空巷道的擾動周期，改善了應(yīng)力環(huán)境，還避免了巷道圍巖直接承受老頂?shù)摹敖o定變形”造成壓裂破壞的問題。

圖4 沿空巷道圍巖“卸壓-錨固”一體化協(xié)同控制技術(shù)

巷道“小結(jié)構(gòu)”主動錨固控制，在卸壓結(jié)構(gòu)的掩護(hù)下，于采空區(qū)側(cè)向擾動區(qū)內(nèi)構(gòu)建相對穩(wěn)定的錨固圈層，進(jìn)一步降低圍巖變形量。由于次生裂隙大量發(fā)育，錨固應(yīng)以短錨桿構(gòu)建基礎(chǔ)承載圈，并以長錨索構(gòu)建厚層強(qiáng)化圈，既防淺表裂隙導(dǎo)通松碎破壞，又防基礎(chǔ)圈層整體失穩(wěn)。頂板卸壓為巷道錨固提供了良好的應(yīng)力壞境，維持了采動巖體高效錨固性能，巷道錨固保障圍巖結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，進(jìn)一步強(qiáng)化了卸壓的效果。

支護(hù)長度優(yōu)化，促進(jìn)錨桿、錨索高效耦合承載。當(dāng)錨固長度一定時(shí)，錨桿和錨索的軸向敏感度(反應(yīng)抑制變形的能力)隨著桿體長度的增加而降低，因此若錨索長度過長則支護(hù)效率下降。而與之對應(yīng)，承載層厚度隨著錨桿長度的降低而降低，若錨桿長度過短則錨固層厚度不足。通過加大錨桿長度、縮短錨索長度，形成長短組合間隔支護(hù)，促進(jìn)錨桿和錨索高效協(xié)調(diào)承載，既能保證錨固層的厚度，又能維持桿體的高敏感度。

4.2 柔性錨桿支護(hù)方案

1) 頂板支護(hù)：① 柔性錨桿：頂板每排采用5根D21.8 mm×4 300 mm柔性錨桿壓鋼筋網(wǎng)支護(hù)，間排距為950 mm×1 200 mm；每根柔性錨桿搭配2節(jié)MSCK2370型樹脂藥卷；使用D28 mm鉆頭，外露長度150～300 mm；預(yù)緊力不小于200 kN.②錨索：每隔兩排柔性錨桿補(bǔ)充2根D21.8 mm×6 300 mm錨索支護(hù)，間排距為2 850 mm×2 400 mm;每根錨索搭配1節(jié)MSCK2370型、2節(jié)MSK2370型樹脂藥卷；錨索預(yù)緊力不小于250 kN.③ 網(wǎng)片:頂板鋼筋網(wǎng)規(guī)格為D6.5 mm×4 600 mm×1 300 mm(網(wǎng)孔100 mm×100 mm).

2) 煤幫支護(hù)：① 螺紋鋼錨桿(配M3鋼帶、M3托盤)：幫部每排布置4根D22 mm×2 600 mm左旋螺紋鋼錨桿(屈服強(qiáng)度為500 MPa)，間距不一，排距1 200 mm，上部3根錨桿配M3托盤壓M3鋼帶支護(hù)，底部1根為單體支護(hù)。每根錨桿搭配2節(jié)MSCK2370型樹脂藥卷；螺紋鋼錨桿預(yù)緊力矩不小于300 N·m.② 網(wǎng)片：幫部縱向鋪設(shè)1片金屬菱形網(wǎng)，規(guī)格為3 200 mm×1 300 mm.支護(hù)布置圖如圖5所示。

5 沿空掘巷支護(hù)技術(shù)應(yīng)用效果分析

3109工作面掘進(jìn)留設(shè)6 m小煤柱，采用上述支護(hù)方案掘進(jìn)期間，采用十字?jǐn)嗝娣ú贾脺y點(diǎn)，測站布置于自迎頭0～160 m范圍，觀測工作與掘進(jìn)工作同步進(jìn)行，并及時(shí)進(jìn)行觀測。在掘進(jìn)期間，測站多次受巷內(nèi)施工影響，遭到破壞后，在原有測站的基礎(chǔ)上重新調(diào)整繼續(xù)觀測。工作面回采期間同樣布置測點(diǎn)監(jiān)測巷道表面位移情況，監(jiān)測結(jié)果整理后如圖6所示，沿空巷道掘巷期間，成巷60 d內(nèi)，表面位移量呈增長趨勢，60 d后表面變形基本不再增大，頂?shù)装逡平糠€(wěn)定在147 mm左右，實(shí)體煤幫內(nèi)移量穩(wěn)定在132 mm左右，煤柱幫內(nèi)移量穩(wěn)定在126 mm左右，圍巖穩(wěn)定性良好。工作面回采期間，至工作面回采到測點(diǎn)位置，頂?shù)装逡平孔畲笾禐?65 mm，煤柱幫內(nèi)移量最大值316 mm，工作面一側(cè)煤幫內(nèi)移量286 mm，巷道圍巖整體穩(wěn)定性良好，巷道斷面輕微收縮，能夠滿足正常使用的要求。

6 結(jié) 語

根據(jù)開拓煤業(yè)10-1002工作面具體的地質(zhì)條件，通過理論計(jì)算及數(shù)值模擬分析得知，10-1002工作面采用留小煤柱沿空留巷煤柱寬度為6 m較合理，10-1002運(yùn)輸巷采用“錨桿(索)+W型鋼帶+注漿”支護(hù)方式，現(xiàn)場應(yīng)用后進(jìn)行圍巖位移量觀測，10-1002運(yùn)輸巷掘進(jìn)期間，頂?shù)装逡七M(jìn)量最大值為300 mm，實(shí)體煤側(cè)最大變形量為273 mm，煤柱側(cè)最大變形量為249 mm.10-1002工作回采期間，超前支承壓力影響范圍約為80 m，巷道頂?shù)装遄畲笠七M(jìn)量為376 mm，實(shí)體煤側(cè)最大位移量為270 mm，煤柱側(cè)最大位移量為299 mm.通過注漿加固有效的改善了煤柱的力學(xué)特征，取得了很好的支護(hù)效果。