張雪峰

（山西新景礦煤業(yè)有限責(zé)任公司，山西 陽(yáng)泉 045000）

0 引言

煤柱尺寸是影響巷道圍巖穩(wěn)定性的主要因素之一[1-3]。確定合理的煤柱尺寸對(duì)巷道支護(hù)設(shè)計(jì)非常重要[4-5]。煤柱的穩(wěn)定性取決于煤柱的荷載、寬度、形狀以及煤柱和圍巖的力學(xué)性能。如果煤柱寬度增大，煤柱就會(huì)穩(wěn)定，但可能會(huì)損失更多的煤炭資源。同時(shí)，如果選擇較小的煤柱寬度，煤柱會(huì)發(fā)生斷裂，從而威脅到開(kāi)采安全，但可以回收更多的煤炭資源。因此，煤炭回收率與巷道變形之間存在矛盾。如何設(shè)計(jì)合理的煤柱尺寸是采礦工程面臨的難題。合理的煤柱寬度不僅能減少煤柱變形，降低維護(hù)成本，還能最大限度地回收煤炭資源[6-8]。

本文根據(jù)某煤礦3217 工作面運(yùn)輸巷的具體地質(zhì)條件，并根據(jù)理論計(jì)算得出巷道窄煤柱合理尺寸，并將相應(yīng)的圍巖控制技術(shù)應(yīng)用于現(xiàn)場(chǎng)。該研究成果降低了支護(hù)難度和維護(hù)成本，實(shí)現(xiàn)了煤炭資源的安全高效開(kāi)采。

1 工程背景

山西新景礦煤業(yè)有限責(zé)任公司3217 回風(fēng)巷井下位于佛洼3 號(hào)煤采區(qū)南翼中部，東為3215 工作面（已采），南隔太舊高速公路保護(hù)煤柱為井田邊界，西為3219 工作面（未掘），北隔采區(qū)大巷為3218 工作面（已掘）。巷道均為沿3 號(hào)煤頂?shù)装寰蜻M(jìn)的全煤巷道，當(dāng)煤層變薄時(shí)，沿煤層頂板、底板施工。

3217 回風(fēng)巷所掘3 號(hào)煤層賦存穩(wěn)定，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，屬中灰、低硫的優(yōu)質(zhì)無(wú)煙煤，煤層以鏡煤、亮煤為主，內(nèi)生裂隙發(fā)育。煤層平均厚2.56 m，平均傾角5°，層理和節(jié)理發(fā)育。

回風(fēng)巷設(shè)計(jì)長(zhǎng)度為1 587.6 m，巷道斷面長(zhǎng)×寬=5 200 mm×2 900 mm。工作面走向長(zhǎng)度為1 560 m，傾斜長(zhǎng)度為420 m。工作面采用沿走向后退長(zhǎng)壁開(kāi)采法、全機(jī)械化頂煤崩落技術(shù)和全崩落法處理煤層。煤層頂?shù)装迩闆r如表1 所示。

表1 煤層頂?shù)装迩闆r

2 巷道窄煤柱合理寬度的確定

2.1 窄煤柱合理寬度理論計(jì)算

合理選擇沿矸巷道窄煤柱寬度是巷道掘進(jìn)與支護(hù)技術(shù)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一。煤柱尺寸過(guò)大或過(guò)小都不利于巷道圍巖支護(hù)和維護(hù)。影響煤柱寬度的主要因素包括開(kāi)采深度、煤層傾角、煤柱極限強(qiáng)度、煤層與巖層接觸界面的摩擦角、煤層與巖層接觸面的黏聚力、支護(hù)阻力、開(kāi)采擾動(dòng)系數(shù)、巷道對(duì)煤柱的橫向限制等[9-11]。煤柱合理寬度的計(jì)算模型如圖1 所示。

圖1 煤柱合理寬度計(jì)算模型

煤柱寬度的計(jì)算公式為：

其中，X1為上工作面開(kāi)采后，煤體在巷道側(cè)產(chǎn)生的塑性區(qū)寬度，其值按下式計(jì)算：

式中：B 為煤柱寬度；m 為巷道高度，3.2 m；A 為水平壓力系數(shù)，取0.38；φ0為煤層界面內(nèi)摩擦角，取30°；C0為煤層界面黏聚力，取5.0 MPa；k 為應(yīng)力集中系數(shù)，取3；γ 為上覆地層平均容重，取25 kN/m3；H 為巷道深度，取500 m；pZ為錨桿對(duì)煤側(cè)的支護(hù)阻力，取0.15 MPa；X2為錨桿有效長(zhǎng)度，2.5 m；X3為考慮煤層厚度較大的煤柱寬度富余量，一般按X1+X2值的15%～35%計(jì)算。

將巷道圍巖力學(xué)參數(shù)和假定支護(hù)參數(shù)代入上式，可得到沿巷道窄煤柱寬度的理論值，即3217 工作面沿空掘巷留設(shè)窄煤柱寬度范圍為5.4～6.5 m。

2.2 窄煤柱合理寬度數(shù)值計(jì)算

結(jié)合3217 工作面地質(zhì)條件，建立三維計(jì)算模型，尺寸為400 m（長(zhǎng)）×450 m（寬）×50 m（高），模型的前、后、左、右邊界為水平約束；底部邊界為完全約束，即水平和垂直方向固定；在模型頂部施加2.0 MPa 法向垂直應(yīng)力，以模擬覆土重量。在留設(shè)煤柱寬度范圍為2～10 m 條件下，分析掘進(jìn)3217 回風(fēng)巷及回采工作面過(guò)程中圍巖的變形特征，從而確定煤柱的合理寬度。不同煤柱寬度下應(yīng)力位移變化如圖2 所示。

圖2 不同煤柱寬度下應(yīng)力位移變化曲線圖

由圖2 可知，在相同條件下，窄煤柱應(yīng)力隨窄煤柱寬度的增大而增大。窄煤柱寬度為2 m 時(shí)，破壞較嚴(yán)重，需加強(qiáng)窄煤柱側(cè)的支護(hù)來(lái)控制巷道圍巖的穩(wěn)定；煤柱寬度為2～5 m 時(shí)，窄煤柱垂直應(yīng)力增加速度較大，表明煤柱破壞程度減弱；煤柱寬度為5～8 m 時(shí)，窄煤柱垂直應(yīng)力增加速度緩慢；8～10 m 時(shí)，窄煤柱垂直應(yīng)力增加速度又開(kāi)始增大，此時(shí)巷道圍巖表面所受到的應(yīng)力較大，不利于巷道圍巖的穩(wěn)定及后期煤炭資源的回收。同時(shí)，窄煤柱的寬度范圍為2～5 m 時(shí)，煤柱位移降幅較大；窄煤柱的寬度范圍為5～8 m 時(shí)，煤柱位移降幅較小；窄煤柱的寬度范圍為8～10 m 時(shí)，煤柱位移又開(kāi)始有較大的降幅。

窄煤柱的寬度范圍為5～10 m 時(shí)，巷道圍巖變形量整體有所降低，但是當(dāng)煤柱寬度不斷增大時(shí)，巷道圍巖的變形量有限，易造成煤炭資源的浪費(fèi)。結(jié)合理論計(jì)算值及現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用情況，確定窄煤柱寬度取值為6 m。

3 巷道圍巖變形控制技術(shù)

3.1 頂板支護(hù)

錨桿采用Ф20 mm×2 000 mm 的左旋螺紋鋼錨桿，錨桿間排距為800 mm×1 000 mm。錨桿與巷幫之間的距離為600 mm，與垂直方向呈20°向兩側(cè)傾斜布置，其余4 根錨桿垂直于頂板；錨索采用Ф21.6 mm×6200mm鋼絞線錨索，錨索間距為1600mm×2000mm，垂直于頂板打設(shè)。

3.2 兩幫支護(hù)

錨桿采用Ф20 mm×2 000 mm 的左旋螺紋鋼錨桿，錨桿間排距為700 mm×1 000 mm。錨桿與頂板之間的距離為400 mm，錨桿垂直于巷幫打設(shè)。

3.3 金屬網(wǎng)

巷道金屬網(wǎng)采用六邊形金屬網(wǎng)，規(guī)格為長(zhǎng)×寬=5 000 mm×1 100 mm，使用16 號(hào)雙股聯(lián)網(wǎng)絲進(jìn)行聯(lián)接。巷道支護(hù)方案如圖3 所示。

圖3 巷道支護(hù)方案圖（未標(biāo)單位：mm）

4 現(xiàn)場(chǎng)工業(yè)試驗(yàn)

3217 工作回風(fēng)巷施工期間采用“十字布點(diǎn)法”對(duì)巷道圍巖表面進(jìn)行監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)結(jié)果如圖4 所示。由圖4 可知，在巷道開(kāi)挖過(guò)程中，頂?shù)装遄冃瘟看笥趦蓭妥冃瘟?，頂?shù)装遄畲笞冃瘟繛?00 mm，兩幫的最大變形量為72 mm。

圖4 巷道圍巖變形監(jiān)測(cè)曲線

3217 工作面回采期間產(chǎn)生的超前應(yīng)力會(huì)對(duì)巷道圍巖穩(wěn)定性造成一定的影響，在3217 工作面回采期間，布設(shè)測(cè)點(diǎn)，以監(jiān)測(cè)巷道圍巖表面的變形，監(jiān)測(cè)結(jié)果如圖5 所示。

圖5 回采期巷道圍巖變形監(jiān)測(cè)曲線

由圖5 可知，在工作面回采期間，頂?shù)装遄冃瘟看笥趦蓭妥冃瘟?，頂?shù)装遄畲笞冃瘟繛?88 mm，兩幫最大變形量為149 mm。巷道圍巖變形在可控范圍內(nèi)，窄煤柱沿走向巷道也處于穩(wěn)定狀態(tài)。同時(shí)巷道圍巖變形可分為3 個(gè)階段。第一階段為圍巖嚴(yán)重移動(dòng)階段，距工作面約30 m，巷道圍巖面位移迅速增大；第二階段為圍巖運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)階段，距工作面約30～60 m，巷道圍巖面位移逐漸減小，并趨于穩(wěn)定；第三階段為圍巖運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定階段，距工作面60 m 以外，巷道圍巖面位移變化較小。

綜合可知，6 m 寬窄煤柱及巷道支護(hù)方案設(shè)計(jì)滿足生產(chǎn)需要。

5 結(jié)論

1）根據(jù)理論計(jì)算，3217 工作面沿空掘巷留設(shè)窄煤柱寬度范圍為5.4～6.5 m，通過(guò)數(shù)值計(jì)算得出窄煤柱寬度為6 m。

2）現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果得出，在窄煤柱寬度取值6 m 以及對(duì)巷道采用“錨桿索+金屬網(wǎng)”聯(lián)合支護(hù)技術(shù)條件下，可以滿足工作面正常生產(chǎn)的需要。