傾斜中厚煤層窄煤柱沿空掘巷支護(hù)技術(shù)研究

劉延超

（云南能投威信煤炭有限公司 ，云南 昭通 657900）

1 工程背景

某礦煤層平均埋深較深，普遍達(dá)到800m以上，屬于典型的深部礦井，現(xiàn)開采的7121綜采工作面位于井田南翼，其北部為未開掘工作面，東部臨近工業(yè)廣場(chǎng)保護(hù)煤柱。工作面所采7號(hào)煤層賦存結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，屬于全區(qū)穩(wěn)定可采煤層，煤層平均傾角25°，屬于傾斜煤層，煤層均厚3.4m，厚度分布上，西面平均厚度整體高于東面。7號(hào)煤直接頂為均厚6.2m的深灰色砂質(zhì)泥巖，老頂為均厚5.03m的灰白色細(xì)粒砂巖，直接底為均厚4.69m的灰黑色泥巖，老底為均厚24.4m的灰白色細(xì)砂巖。7121進(jìn)風(fēng)巷屬于沿空掘進(jìn)巷道，采用矩形斷面，沿著7號(hào)煤層頂板掘進(jìn)，與上區(qū)段7119工作面采空區(qū)邊緣留設(shè)5m小煤柱，巷道寬為4.7m，中高為2.7m；該巷道斷面較大、埋深較深，且為沿空巷道，在工作面回采動(dòng)壓影響下，表現(xiàn)出強(qiáng)礦壓現(xiàn)象，頂板離層、兩幫移近、底板鼓起，圍巖變形嚴(yán)重，巷道斷面收縮嚴(yán)重，圍巖穩(wěn)定性大大降低，嚴(yán)重影響了巷道的正常使用。

2 沿空掘巷圍巖應(yīng)力及位移變化數(shù)值模擬研究

2.1 模型建立

以7121工作面工程地質(zhì)條件為基礎(chǔ)建立FLAC3D數(shù)值計(jì)算模型，模型巖層布置及塊體劃分根據(jù)工作面實(shí)際情況來進(jìn)行，煤巖體物理力學(xué)參數(shù)選取如表1所示。窄煤柱按實(shí)際5m設(shè)置，7121進(jìn)風(fēng)巷沿上區(qū)段工作面采空區(qū)掘進(jìn)，除模型頂部為自由邊界外，其余邊界固定，在模型頂部施加20MPa的垂直應(yīng)力以代表上覆巖層載荷，側(cè)壓系數(shù)設(shè)置為1.2，模型材料選擇為彈塑性模型，屈服破壞準(zhǔn)則為摩爾-庫倫模型，最終建立的計(jì)算模型如圖1所示。

圖1 深部大傾角窄煤柱沿空掘巷數(shù)值模型

表1 煤巖層物理力學(xué)參數(shù)

2.2 掘巷后圍巖應(yīng)力變化

圖2 沿空掘巷后圍巖應(yīng)力分布規(guī)律

沿空巷道開掘后，其周邊垂直應(yīng)力場(chǎng)變化分布如圖2所示，由圖2可知，沿空掘巷后導(dǎo)致實(shí)體煤側(cè)出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，在距離實(shí)體煤幫6～10m范圍，應(yīng)力峰值可達(dá)到50～55MPa，在距離實(shí)體煤幫20m處的上覆巖層內(nèi)出現(xiàn)兩處應(yīng)力集中，應(yīng)力峰值為40～45MPa，后者應(yīng)力峰值小于前者但分布區(qū)域有所增加；沿煤柱中心部分及其頂?shù)装逍纬梢粋€(gè)應(yīng)力分割區(qū)域，將采空區(qū)與實(shí)體煤區(qū)實(shí)現(xiàn)分割，該區(qū)域應(yīng)力值小于原巖應(yīng)力，可有效發(fā)揮煤柱的承載作用；在沿空巷道實(shí)體煤幫0～10m范圍，垂直應(yīng)力由0MPa快速增長(zhǎng)至55MPa，該高應(yīng)力區(qū)應(yīng)力集中系數(shù)可達(dá)到2.59，隨著向圍巖深部轉(zhuǎn)移，應(yīng)力開始逐漸減小到35MPa。

2.3 掘巷后圍巖位移變化

沿空掘巷后圍巖位移變化如圖4所示，由圖可知，選用5m窄煤柱時(shí)，巷道頂板下沉量為105.1mm、底鼓量為225.6mm、頂?shù)装謇塾?jì)移近量為330.7mm；窄煤柱幫和實(shí)體煤幫的位移量分別為150.8mm、133.3mm，兩幫累計(jì)移近量為284.1mm；由此可知，掘巷后頂?shù)装遄冃瘟看笥谙锏纼蓭汀Ｓ晌灰圃茍D還可以看出，頂板位移云圖朝向窄煤柱采空區(qū)一側(cè)范圍較大，而底板位移云圖朝向工作面實(shí)體煤幫一側(cè)范圍較大。

圖4 沿空掘巷后圍巖變形分布特征

3 傾斜中厚煤層窄煤柱沿空掘巷圍巖控制技術(shù)

3.1 沿空巷道圍巖控制原則

上區(qū)段工作面回采過后，上覆基本頂巖層發(fā)生破斷變形，沿采空區(qū)邊緣形成砌體梁鉸接結(jié)構(gòu)，以實(shí)體煤側(cè)破斷點(diǎn)為旋轉(zhuǎn)軸，該結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性同時(shí)決定了沿空巷道的圍巖穩(wěn)定。采空側(cè)存在圍巖大小結(jié)構(gòu)，即沿基本頂破斷點(diǎn)靠采空側(cè)為低應(yīng)力區(qū)，靠媒體深部為高應(yīng)力區(qū)，因此沿空掘巷位置應(yīng)布置于低應(yīng)力區(qū)，即由窄煤柱、實(shí)體煤幫、上覆頂板構(gòu)和下覆底板構(gòu)成的空間內(nèi)，沿空巷道圍巖控制的重點(diǎn)也在于控制該空間圍巖的穩(wěn)定性。上述區(qū)域任一部分發(fā)生失穩(wěn)變形均會(huì)導(dǎo)致巷道支護(hù)系統(tǒng)的失效，針對(duì)不同的圍巖結(jié)構(gòu)特點(diǎn)需采取相應(yīng)的支護(hù)方式，以確保沿空巷道圍巖的穩(wěn)定性。

基于上述分析提出采用非對(duì)稱支護(hù)技術(shù)，即以錨桿（索）支護(hù)為主，同時(shí)在頂板和兩幫交界處安裝頂角和底角錨桿、在窄煤柱幫安裝補(bǔ)強(qiáng)錨索，綜合控制巷道圍巖變形。深部?jī)A斜中厚煤層窄煤柱沿空掘巷所處空間圍巖應(yīng)力環(huán)境復(fù)雜，窄煤柱同時(shí)受到上區(qū)段工作面回采動(dòng)壓影響及掘巷引起的應(yīng)力集中影響，因而煤柱圍巖破壞快速由淺部轉(zhuǎn)向深部，通過高強(qiáng)錨桿+錨索+金屬網(wǎng)+托盤的耦合支護(hù)體系，最終實(shí)現(xiàn)沿空巷道圍巖的穩(wěn)定。

3.2 沿空巷道支護(hù)方案

7121工作面進(jìn)風(fēng)巷沿空巷道支護(hù)示意圖如圖5所示。頂板支護(hù)：錨桿選用直徑為22mm、長(zhǎng)度為2400mm的高強(qiáng)度讓壓錨桿，每排布置7根，中間5根垂直于巷道頂板布置，靠近窄煤柱幫錨桿與頂板垂直方向呈25°布置，靠近實(shí)體煤幫錨桿與頂板垂直方向呈15°布置，錨桿間距和排距均為750mm；錨索選用直徑為18.9mm、長(zhǎng)度為8000mm的鋼絞線錨索，頂錨索間距為2500mm、排距為1500mm。巷幫支護(hù)：窄煤柱幫布置5根直徑為22mm、長(zhǎng)度為2400mm的高強(qiáng)錨桿，中間3根垂直于巷幫布置，靠近頂板錨桿與水平方向呈20°布置，靠近底板錨桿與水平方向呈15°布置，間距和排距均取750mm，作為加強(qiáng)支護(hù)在巷幫中央布置1根直徑為18.9mm、長(zhǎng)度為8000mm的補(bǔ)強(qiáng)錨索，錨索排距按1500mm取；實(shí)體煤幫布置3根錨桿，上部2根垂直于巷幫布置，靠近底板錨桿與水平方向呈15°布置。底板支護(hù)：在兩幫底角處與豎直方向呈45°各布置1根底角錨桿。為了加強(qiáng)支護(hù)強(qiáng)度，上述錨桿均加長(zhǎng)端部錨固長(zhǎng)度，每根錨桿配備CK2330和M23602樹脂錨固劑各一支。輔助支護(hù)參數(shù)：鋼筋梯子梁選用直徑為14mm的圓鋼焊接而成，菱形金屬網(wǎng)網(wǎng)格邊長(zhǎng)為50mm，選用直徑為3.4mm鐵絲，托盤選用長(zhǎng)寬均為120mm、厚度為12mm的方形托盤。

圖5 巷道支護(hù)斷面圖

3.3 工程應(yīng)用及效果觀測(cè)

巷道支護(hù)完成后，為對(duì)支護(hù)效果進(jìn)行驗(yàn)證，在7121進(jìn)風(fēng)巷內(nèi)建立礦壓觀測(cè)站，對(duì)巷道掘進(jìn)階段和回采階段圍巖變形進(jìn)行持續(xù)觀測(cè)，繪制如圖6所示的巷道圍巖變形曲線。

圖6 7121進(jìn)風(fēng)巷圍巖變形量

由圖（a）可知，在巷道掘進(jìn)初期巷道圍巖變形量及變形速度較大，在巷道掘進(jìn)完成20d內(nèi)，巷道圍巖快速變形，頂?shù)装逡平俣冗_(dá)到9.8mm/d，兩幫移近速度達(dá)到10.1mm/d，20d時(shí)圍巖變形逐漸達(dá)到收斂，最終頂?shù)装逡平繛?05mm，兩幫移近量為230mm，整體來看，巷道掘進(jìn)階段圍巖穩(wěn)定性良好。由圖（b）可知，超前工作面150m巷道圍巖開始出現(xiàn)變形，隨著工作面的不斷推進(jìn)，巷道圍巖變形開始緩慢增加，當(dāng)距離工作面40m時(shí)，巷道圍巖變形速度加快，當(dāng)距離工作面20m時(shí)，巷道圍巖變形速度陡增，頂?shù)装逡平俣冗_(dá)到25mm/d，兩幫移近速度達(dá)到23mm/d，工作面推進(jìn)到測(cè)站位置時(shí)，最終頂?shù)装逡平?80mm，兩幫移近量為992mm，圍巖變形處于可控范圍，滿足生產(chǎn)需求。

4 結(jié) 論

1）通過數(shù)值模擬手段對(duì)留窄煤柱沿空掘巷后圍巖的應(yīng)力及位移變化情況進(jìn)行了分析，掘巷后圍巖應(yīng)力峰值出現(xiàn)在距離實(shí)體煤幫6～10m范圍，沿煤柱中心部分及其頂?shù)装逍纬梢粋€(gè)應(yīng)力分割區(qū)域，將采空區(qū)與實(shí)體煤區(qū)實(shí)現(xiàn)分割，該區(qū)域應(yīng)力值小于原巖應(yīng)力，可有效發(fā)揮煤柱的承載作用；掘巷后頂?shù)装遄冃瘟看笥谙锏纼蓭汀?/p>

2）通過沿空掘巷圍巖結(jié)構(gòu)分析，提出采用非對(duì)稱支護(hù)技術(shù)，即以錨桿（索）支護(hù)為主，同時(shí)在頂板和兩幫交界處安裝頂角和底角錨桿、在窄煤柱幫安裝補(bǔ)強(qiáng)錨索，綜合控制巷道圍巖變形。工業(yè)性試驗(yàn)結(jié)果表明，采用該支護(hù)方式可有效控制沿空巷道圍巖變形，實(shí)現(xiàn)了工作面的安全高效回采。