復雜應力環境下孤島工作面窄煤柱掘巷支護技術研究

劉 劍，段 軍

（內蒙古科技大學 礦業學院， 內蒙古 包頭市 014010）

復雜應力環境下孤島工作面窄煤柱掘巷支護技術研究

劉 劍，段 軍

（內蒙古科技大學 礦業學院， 內蒙古 包頭市 014010）

試驗巷道為孤島工作面沿空巷道，且處于下部煤層遺留煤柱應力集中影響區等復雜的圍巖應力環境中。通過數值計算確定了遺留煤柱影響集中系數為1.3，應力影響角為63°，影響范圍為遺留煤柱前后50m范圍內。依此提出了集中應力影響區巷道加強支護方案。巷道礦壓觀測表明，巷道圍巖變形得到了有效控制，在復雜的圍巖應力環境下實現了一次成巷，滿足了巷道使用要求。

孤島工作面；應力集中區；沿空掘巷；支護方案

0 引 言

為了避免生產和接替工作面之間的干擾，采區內工作面之間有時被迫采用跳采接替方式，不可避免地在采區內形成上、下區段均為采空區的工作面。孤島工作面回采巷道是沿空巷道的一種，其上、下順槽均處于沿空狀態，巷道壓力顯現明顯，如支護方法不當，任何一條巷道的失穩破壞將直接影響工作面上、下出口的暢通和安全。當上部煤層煤質差、下部煤層煤質優良，從企業效益角度出發而采用上行開采，上部煤層孤島工作面回采巷道將處于復雜的應力環境中。

皖北某礦454工作面為孤島工作面，處于下部65采區回采完畢后形成的彎曲下沉帶內，同時受到65采區遺留煤柱形成的應力集中的影響，巷道圍巖應力環境復雜，錨梁網支護將顯得異常困難。采用何種支護形式和支護參數是保證該工作面能否順利投產的關鍵，也是過去普通錨梁網支護未曾遇到過的新問題，具有重要的理論意義和實踐意義。

1 工程概況

454工作面由于接替等原因形成孤島工作面。工作面采用傾斜長壁布置，平均傾角7°左右，工作面傾向長1540m，走向寬172m。工作面標高在－323.1～－144.5m。454工作面下部90m為65采區，65采區各工作面均采用走向長壁采煤法，且均于2009年回采完畢，此時454工作面整體處于65采區的彎曲下沉帶內，而65采區部分塊段留有煤柱，給454工作面回采巷道帶來影響，巷道處于復雜的應力環境中，具體表現如下。

（1）孤島工作面留窄煤柱掘巷。454工作面為孤島工作面，其上、下順槽均處于沿空狀態，受上、下區段采空區側向支承壓力影響，巷道圍巖礦壓顯現明顯，如果兩巷支護參數選擇不合理，則會導致圍巖變形劇烈、沖擊礦壓等危險事故的發生。

（2）彎曲下沉帶內掘巷。454工作面整體處于65采區采后的彎曲下沉帶內，工作面煤巖體整體下沉了0～2.2m，巖層沉降不均，發生離層、錯動、斷裂，巷道圍巖完整性差。

（3）巷道部分區段位于遺留煤柱上方。如圖1所示，6煤回采后，采空區內留有部分煤柱，煤柱不規則，風巷正下方留有60m煤柱（A區）、機巷正下方留有30m煤柱（B區）、在454工作面中部煤柱寬度為30m左右（C區）。受遺留煤柱影響，試驗巷道在此區段內圍巖壓力顯著升高，巷道支護困難。

圖1 遺留煤柱平面分布

2 遺留煤柱應力集中影響程度數值計算

遺留的煤柱上方形成的應力集中區，勢必會影響4煤層內巷道的掘進以及工作面的生產安全。為解決應力集中區的巷道支護技術問題，首先應掌握應力集中區的分布范圍及影響區域，本文采用二維離散元軟件UDEC3.1進行計算分析。

2.1 模型建立

采用矩形模型進行計算，整個模型寬460m，高250m。模型包括2個煤層，分別為6煤和4煤。遺留煤柱對4煤454回采巷道的影響范圍為本次數值計算模擬對象。6煤內各個工作面沿煤層走向回采，煤層厚度2.5m，回采完成時間均大于24個月，上覆巖層跨落已基本穩定。4煤454工作面回采巷道沿傾向布置，巷道長度均為1500m。模型兩側限制水平方向移動，模型底邊限制水平方向和垂直方向移動，模型上表面為應力邊界，4煤埋深350m，不足部分采用應力補償來模擬上覆巖體的自重邊界。材料破壞遵循Mohr－Coulomb強度準則。

2.2 計算結果分析

垂直應力集中程度及其分布、不同寬度煤柱的下沉量見圖2～圖4及表1。

圖2 不同層位垂直應力集中程度

圖3 沿巷道縱向垂直應力分布

圖4 不同寬度煤柱的下沉曲線

表1 4煤底板應力及位移計算結果統計

綜合理論與數值計算結果，主要得出如下結論：

（1）6煤開采后454工作面整體下沉約2.3m左右，遺留煤柱正上方下沉量約1.1～1.6m；

（2）6煤開采后，遺留煤柱上方頂板應力影響角為63°左右，影響區為煤柱正上方兩側約50m范圍內。風巷約160m范圍，機巷約130m范圍的應力較其他區段高；

（3）煤柱上方垂直應力分布集中系數隨高度增大逐漸降低至原巖應力，A、B區遺留煤柱在4煤底板形成的應力集中系數為1.3左右。

3 遺留煤柱影響區巷道圍巖控制技術

3.1 煤柱寬度的確定

沿空巷道煤柱寬度的確定應考慮以下幾點：

（1）是否存在大結構失穩問題；

（2）煤柱是否具有可錨性；

（3）煤柱寬度應盡量小，提高煤炭資源回收率；

（4）是否避開應力升高區。

經綜合分析，確定454工作面沿空掘巷留設的煤柱寬度為4m。

3.2 巷道支護方案

巷道采用錨梁網支護，掘進寬度3.8m，高度2.5m，斷面9.5m2。

巷道頂板支護結構由兩部分組成。第一部分由錨桿＋M5鋼帶＋10＃金屬網組成。鋼帶沿巷道頂板橫向布置，每根鋼帶上安裝5根錨桿，實體煤幫頂錨桿與鉛垂面成20°角度錨入，其它錨桿垂直頂板錨入。頂板錨桿統一采用Φ20mm×2400mm左旋螺紋鋼等強錨桿。采用網孔不大于40mm的10＃鐵絲編織的菱形金屬網緊貼頂板鋪設，并且用鋼帶壓茬。第二部分由14＃普通熱軋槽鋼和錨索組成。槽鋼梁沿巷道縱向且與鋼帶呈十字交叉布置2排，分別距巷道實體煤幫1300mm和2900mm。槽鋼梁長度為2100mm，每根槽鋼梁上安裝2根錨索。錨索長度設計為7500m，直徑為Φ17.8mm。實體煤幫錨索與鉛垂面成20°錨入，沿空側錨索垂直頂板布置，如圖5所示。

圖5 應力集中區沿空掘巷支護方案

3.3 巷道圍巖控制效果

圖6為受6煤遺留煤柱影響區的巷道圍巖變形觀測結果。由圖可見：

圖6 巷道圍巖變形規律曲線

（1）巷道變形以兩幫移近為主，兩幫移近量370 mm左右，頂底板移近量150mm左右，滿足了巷道使用要求，在復雜的圍巖應力環境下實現了一次成巷；

（2）受上區段采動影響，煤柱已處于松散破碎狀態，此時錨桿的錨固作用甚微，安裝的錨桿只能保證煤柱的完整、不坍塌，煤柱的大變形很難得到有效控制，而實體煤側煤體的完整性相對較好，其變形量小于煤柱幫。

4 結 論

（1）采用離散元軟件分析計算了彎曲下沉帶內454工作面煤巖層沉降規律以及6煤開采后遺留煤柱上覆巖體應力集中區內應力分布及影響范圍，結果表明，6煤開采后454工作面整體下沉了約2.3m左右；遺留煤柱在4煤底板形成的應力集中系數為1.3左右，應力影響角為63°，影響區為煤柱正上方兩側約50m范圍內，

（2）根據數值計算結果，提出了集中應力影響區的加強支護措施，巷道礦壓觀測結果表明巷道圍巖變形得到了有效控制，滿足了巷道使用要求，在復雜的圍巖應力環境下實現了一次成巷。

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2011－12－26）

劉 劍（1982－），男，內蒙古鄂托克旗人，工程師，在讀工程碩士，主要從事于煤礦礦井設計方面的研究，Email：slamdunk19＠163.com。