深部煤層沿空掘巷圍巖穩(wěn)定性控制技術(shù)研究與應(yīng)用

尹英文 王曉菡 馬麗妲

（山東鼎安檢測技術(shù)有限公司，山東 濟南 250032）

隨著開采地質(zhì)條件越來越復(fù)雜，深部煤層開采巷道支護愈加困難。在深部應(yīng)力環(huán)境下，巷道受掘進與回采過程兩次動壓影響，圍巖結(jié)構(gòu)破壞嚴重，甚至出現(xiàn)冒頂片幫的情況，嚴重影響礦井安全生產(chǎn)。通過留設(shè)小煤柱，巷道在受到側(cè)向支撐壓力影響的塑性煤體中掘進，需要對小煤柱寬度和支護技術(shù)進行研究。王樓煤礦對深部綜采工作面留設(shè)小煤柱沿空掘巷進行研究，提出了合理的支護技術(shù)。

1 地質(zhì)概況

王樓煤礦七采區(qū)3煤層的7306工作面，煤層厚度2.7～3.2m，平均3.0m，傾角3°～8°。直接頂為泥巖，平均厚度6m；基本頂為細、中砂巖，平均厚度40m；直接底泥巖為主，局部粉砂質(zhì)，平均厚度4.3m；基本底為粉、細砂巖，平均厚度38m。埋深約1000～1200mm，工作面寬度為140m，推進長度約為1300m，走向長壁后退式采煤方法，綜合機械化采煤工藝，全部垮落法管理頂板。巷道沿煤層底板掘進，斷面為梯形，寬4.9m，高3.7m。

2 深部綜采工作面沿空掘巷圍巖穩(wěn)定性分析

根據(jù)關(guān)鍵層理論，頂板中堅硬的巖層能夠在破斷后形成梁結(jié)構(gòu)，梁結(jié)構(gòu)會影響采場的壓力顯現(xiàn)。梁結(jié)構(gòu)破斷位置沿實體煤深入煤體內(nèi)部，下部煤體對梁結(jié)構(gòu)進行支撐，此時，沿空巷道所受外力來源是工作面?zhèn)认蚧剞D(zhuǎn)下沉的梁結(jié)構(gòu)巖體。

在力學(xué)分析模型中，沿空巷道基本頂看做關(guān)鍵層，破斷后的弧形三角板結(jié)構(gòu)層面沿破斷線回轉(zhuǎn)下沉；基本頂上的巖層自重力作為載荷，通過基本頂向下部傳遞，影響沿空巷道圍巖及煤柱的穩(wěn)定性。

根據(jù)薄板理論可知，比作薄板的懸露頂板隨綜采工作面推采不斷增大，薄板彎矩也逐漸增大，在彎矩超過薄板極限強度后斷裂。圖1沿空巷道上覆巖層結(jié)構(gòu)圖，基本頂巖層在工作面?zhèn)认蛏系膶嶓w煤內(nèi)部上方斷裂，實體煤上部的A塊段、弧形三角塊B塊段和采空區(qū)上部分C塊段組成了梁結(jié)構(gòu)。梁結(jié)構(gòu)穩(wěn)定時，頂板載荷可以將較大應(yīng)力傳遞到實體煤側(cè)；梁結(jié)構(gòu)破壞后，上部巖層對下部巷道與煤柱組成的支撐體產(chǎn)生較大影響，巷道會出現(xiàn)頂板下沉、底鼓、兩幫移近等情況，煤柱塑性破壞，因此，巷道與小煤柱的穩(wěn)定性受B塊段的巨大影響。

圖1 沿空掘進巷道上覆巖層結(jié)構(gòu)示意圖

根據(jù)塊段B對巷道和小煤柱的穩(wěn)定性進行力學(xué)參數(shù)分析，參數(shù)主要有：推進方向長度L1，側(cè)向破斷跨度L2和巖體厚度h（基本頂最大厚度），計算模型見圖1。

塊段B的L1為工作面的周期來壓步距，受到基本頂?shù)母鱾€參數(shù)影響，數(shù)據(jù)可以通過現(xiàn)場觀測或者公式（1）計算。

式中：

h-基本頂厚度，取最大厚度58m；

R-基本頂巖層抗壓強度，4.5MPa；

q-單位面積承受的上部荷載，25.5MN/m2。根據(jù)7306工作面數(shù)據(jù)計算得出L1=14.06m。

根據(jù)薄板屈服線分析法，塊段B頂板破斷后側(cè)向跨度L2由公式（2）計算。

式中：

S-工作面長度，140m。

將L1和S的數(shù)據(jù)帶入公式（2），計算得出L2=15.78m。

隨著深部工作面開采，上覆巖層不斷產(chǎn)生新的塊段A，在長邊的破斷線與塊段B連通后，受到塊段A的m力矩和塊段B的m1力矩影響，加上下部支撐煤體強度不夠，在超前壓力和重新分布的不平衡應(yīng)力影響下，沿空掘進巷道變形較大，出現(xiàn)了頂板下沉、煤幫變形破壞，巷道應(yīng)加強支護。

3 深部沿空掘巷小煤柱寬度計算

王樓煤礦七采區(qū)埋深超過1000m，由圖2可以看出極限平衡區(qū)寬度隨著采深呈現(xiàn)對數(shù)，極限平衡區(qū)寬度擬合公式為：

圖2 極限平衡區(qū)寬度曲線圖

根據(jù)王樓煤礦地質(zhì)條件，小煤柱的寬度L根據(jù)公式（4）計算。

式中：

x1-巷道側(cè)距離極限強度位置，m；

x2-采空區(qū)側(cè)距離極限強度位置，m；

lm-最小錨固長度，m。

根據(jù)圖2及公式（3）相結(jié)合的方式，確定x1=1.75m，x2=1.95m，再根據(jù)王樓煤礦資料，巷道最小錨固長度為lm=0.8m，則小煤柱寬度L=4.5m。

4 支護方案及應(yīng)用效果

（1）支護方案

7306工作面沿空掘進巷道支護示意圖，見圖3。

圖3 沿空掘進巷道支護布置圖

頂板采用Ф20×2600mm高強預(yù)應(yīng)力錨桿支護，間排距850mm×850mm，每排布置6根錨桿。同時采用Ф21.6×8000mm錨索進行輔助支護，間排距1700mm×1700mm，每排布置3根錨索。

煤幫采用Ф20×2400mm高強預(yù)應(yīng)力錨桿支護，矮幫間排距900mm×850mm，高幫間排距1100mm×850mm，每排布置4根錨桿，其中頂部錨桿與水平方向呈30°向上傾斜，底板錨桿與水平方向呈15°向下傾斜。

頂板采用Ф6mm的鋼筋焊接成的金屬網(wǎng)， 網(wǎng)孔100mm×100mm；錨 桿 托盤150mm×150mm×10mm的托盤配合鋼帶護板，錨索采用300mm×300mm×16mm的托盤。

（2）支護效果分析

由圖4（1）中圍巖變形量情況可知，距離巷道掘進工作面25m范圍內(nèi)，巷道圍巖變形量較大，實體煤幫移近量約為22mm，煤柱幫移近量約為55mm，頂板下沉量約為35mm。在距離掘進巷道工作面200m時，巷道圍巖基本處于穩(wěn)定狀態(tài)，實體煤幫移近量最大約為50mm，煤柱幫移近量最大約為85mm，頂板下沉量最大約為70mm。

由圖4（2）錨桿受力情況可知，巷道開挖的前5d，錨桿受力增加較快；5～20d范圍，錨桿受力增加緩慢；20d以后錨桿受力基本上保持穩(wěn)定，煤柱幫錨桿受力最大約為80kN，頂板錨桿受力最大約為90kN，實體煤幫錨桿受力最大約為135kN。

根據(jù)測點圍巖變形量情況分析，巷道掘進200m后，圍巖基本趨于穩(wěn)定，兩幫移近量最大約為120mm，頂板下沉最大值約為70mm，巷道圍巖變形控制在合理范圍內(nèi)，支護效果良好。

圖4 支護效果觀測曲線圖

根據(jù)測點錨桿受力情況，在巷道掘進前5d，由于破壞了原始平衡應(yīng)力，應(yīng)力重新分布的過程中錨桿受力增長較快；隨著掘進距離的增加，應(yīng)力分布區(qū)域趨于平衡，錨桿受力也隨著基本穩(wěn)定。錨桿受力最大約為135kN，沒有超出極限應(yīng)力范圍，圍巖松動變形區(qū)域得到有效控制，錨桿支護方案合適。

5 結(jié)論

根據(jù)深部煤層圍巖變形的特點，王樓煤礦7306工作面在沿空掘巷過程中提出針對性的支護方案，通過對頂板下沉、兩幫移近以及錨桿受力的觀測，分析得出支護效果良好。

（1）通過分析上覆破斷塊段形成力學(xué)模型，運用薄板理論計算，得出7306工作面沿空掘巷留設(shè)小煤柱寬度為4.5m。

（2）根據(jù)圍巖位移量的觀測發(fā)現(xiàn)，巷道掘進200m后，圍巖基本趨于穩(wěn)定；根據(jù)錨桿受力狀況發(fā)現(xiàn)，巷道掘進的前5d，應(yīng)力增長較快。

（3）深部煤層開采實施沿空掘巷，通過合理的支護方案，有利于巷道圍巖保持穩(wěn)定性，同時留設(shè)小煤柱能夠隔離采空區(qū)，防止漏風(fēng)發(fā)火，還能減少煤炭資源的損失，有利于礦井的安全生產(chǎn)。