中厚煤層沿空掘巷煤柱合理寬度分析及支護(hù)技術(shù)研究

薛永軍

（山西焦煤投資公司正利煤業(yè)，山西 呂梁 033500）

1 工程概況

山西焦煤集團(tuán)有限責(zé)任公司正利煤業(yè)14-1105 工作面為4-1煤層首采區(qū)的最后一個(gè)工作面，工作面開(kāi)采4-1煤層，煤層平均厚度3.2 m，屬中厚煤層。煤層頂板巖層為砂質(zhì)泥巖和粉砂巖，底板巖層為砂質(zhì)泥巖和細(xì)砂巖。工作面面臨著沿空掘巷的問(wèn)題，回采巷道斷面為矩形，巷道開(kāi)挖斷面寬度4.6 m，高度3.2 m，擬采用小煤柱進(jìn)行護(hù)巷。為保障回采巷道圍巖的穩(wěn)定，需進(jìn)行小煤柱合理寬度和圍巖支護(hù)技術(shù)的研究。14-1105 孤島工作面位置示意圖如圖1。

圖1 14-1105 孤島工作面位置示意圖

2 煤柱合理寬度分析

2.1 煤柱寬度的確定方法

采空區(qū)側(cè)向?qū)⒎植紤?yīng)力降低區(qū)和應(yīng)力增高區(qū)（即支承壓力區(qū)），煤體邊緣形成破碎區(qū)和塑性區(qū)，沿穩(wěn)定的采空區(qū)邊緣掘進(jìn)巷道，雖然圍巖處于應(yīng)力降低區(qū)，但圍巖比較破碎，對(duì)煤柱尺寸的選擇提出較高要求。由于沿空掘巷時(shí)煤柱側(cè)兩側(cè)均臨空，故煤柱兩側(cè)均存在一定寬度的破碎區(qū)域，該區(qū)域的煤柱基本無(wú)承載能力。工作面進(jìn)行回采作業(yè)時(shí)，采動(dòng)影響下會(huì)在工作面前方形成超前支承壓力，煤柱在超前支承壓力作用下會(huì)進(jìn)一步變形破壞，進(jìn)而導(dǎo)致巷道頂板會(huì)再一次發(fā)生斷裂，導(dǎo)致巷道圍巖變形量進(jìn)一步增大。

在進(jìn)行沿空掘巷作業(yè)時(shí)，應(yīng)盡可能地將巷道護(hù)巷煤柱布置在應(yīng)力降低區(qū)內(nèi)，以有利于沿空掘巷的維護(hù)。在窄煤柱留設(shè)沿空掘巷時(shí)，側(cè)向支承壓力因掘巷的擾動(dòng)而重新分布，此時(shí)的巷道不僅在掘進(jìn)期間發(fā)生較大的變形，而且由于之前的大變形在掘后穩(wěn)定時(shí)期內(nèi)也很難控制巷道的變形。沿空掘巷留設(shè)的煤柱因其寬度較窄，極不穩(wěn)定，從而易產(chǎn)生裂隙甚至破碎[1-4]。目前沿空掘巷窄煤柱寬度的定義范圍為：護(hù)巷煤柱寬度為3～7 m。

現(xiàn)分別通過(guò)應(yīng)力降低區(qū)寬度、應(yīng)力強(qiáng)度雙因素、寬高比優(yōu)化和有效錨固體寬度四個(gè)方面進(jìn)行合理煤柱寬度的分析，具體分析過(guò)程及結(jié)果如下：

（1）應(yīng)力降低區(qū)寬度。采空區(qū)側(cè)向煤體由淺至深分別出現(xiàn)破裂區(qū)、塑性區(qū)、彈性區(qū)和原巖應(yīng)力區(qū)，其中塑性區(qū)寬度是確定煤柱寬度的重要參考指標(biāo)[5-6]。根據(jù)極限平衡理論，通過(guò)力學(xué)分析能夠得出采空區(qū)側(cè)向煤體的塑性區(qū)寬度x0的表達(dá)式為：

式中：m為煤層開(kāi)采厚度，取3.2 m；φ0為煤體內(nèi)摩擦角，取30°；H為巷道埋深，515 m；A為側(cè)壓系數(shù)，1.5；γ為巖層重力密度，0.027 MN/m3；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為上區(qū)段平巷副幫支護(hù)強(qiáng)度，取0.07 MPa（錨桿支護(hù)，回采時(shí)錨桿不回撤）。

將以上數(shù)據(jù)代入式（1）中計(jì)算得x0=14.33 m，考慮沿空掘巷寬度為4.6 m，考慮到巷道沿空掘巷期間存在超挖現(xiàn)象，同時(shí)為保障沿空掘巷圍巖處于卸壓區(qū)內(nèi)，取1.1 倍的系數(shù)，合理的煤柱寬度不應(yīng)大于14.33-4.6×1.1=9.27 m。

（2）巷道圍巖“應(yīng)力-強(qiáng)度”雙因素協(xié)同。在進(jìn)行巷道圍巖控制時(shí)，圍巖控制的核心是保障圍巖自身強(qiáng)度、圍巖應(yīng)力及支護(hù)強(qiáng)度三者之間能夠協(xié)調(diào)，充分發(fā)揮圍巖自身的承載能力，通過(guò)支護(hù)手段降低巷道圍巖的應(yīng)力集中現(xiàn)象，通過(guò)支護(hù)結(jié)構(gòu)將淺部圍巖與深部圍巖有效連接成一個(gè)整體，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(duì)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[7]。不可追求過(guò)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(duì)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)系示意圖

（3）寬高比優(yōu)化。根據(jù)已有工程案例，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。

（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(duì)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)。巷道煤幫采用Φ20 mm×2200 mm 螺紋鋼錨桿支護(hù)，工作面回采結(jié)束后煤幫不可退錨[8]。105 孤島面沿空掘巷一側(cè)應(yīng)采取規(guī)格不低于Φ22 mm×2800 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)（圖3）。據(jù)此，小煤柱寬度應(yīng)設(shè)置為5～6 m。

圖3 煤柱雙向?qū)﹀^示意圖

2.2 煤柱寬度確定

綜合上述四種煤柱寬度分析方法的結(jié)果，可繪制出煤柱合理寬度的選擇圖，如圖4。由各項(xiàng)確定方法的交集得到最佳煤柱寬度為5～6 m，結(jié)合工作面的地質(zhì)條件，最終確定護(hù)巷煤柱的寬度為6 m。

圖4 小煤柱寬度的選擇范圍示意圖

3 圍巖控制技術(shù)

3.1 支護(hù)方案

根據(jù)14-1105 工作面的地質(zhì)條件，結(jié)合合理煤柱寬度的分析結(jié)果，確定回采巷道采用錨網(wǎng)索支護(hù)方案，頂板巖層劃分為淺部基礎(chǔ)層、中部承載層和深部強(qiáng)化層三個(gè)方面進(jìn)行支護(hù)。具體支護(hù)方案如下：

（1）頂板支護(hù)

① 螺紋鋼錨桿：采用Φ22 mm×2600 mm 左旋螺紋鋼錨桿，間排距為800 mm×800 mm，預(yù)緊力矩300 N·m。該部分支護(hù)結(jié)構(gòu)主要進(jìn)行淺部基礎(chǔ)層的控制。

② 柔性錨桿：每隔兩排螺紋鋼錨桿布置3 根Φ21.8 mm×4300 mm 柔性錨桿形成中部承載層；間排距為1600 mm×1600 mm，預(yù)緊力200 kN。該部分支護(hù)結(jié)構(gòu)主要進(jìn)行中部承載層的控制。

③ 錨索：每?jī)膳湃嵝藻^桿中間“五花眼”位置布置規(guī)格為Φ21.8 mm×6300 mm 錨索，間排距為1600 mm×1600 mm，預(yù)緊力250 kN。該部分支護(hù)結(jié)構(gòu)主要進(jìn)行深部承載層的控制，實(shí)現(xiàn)淺部和中部圍巖與深部圍巖的有效連接。

④ 網(wǎng)片：頂板鋼筋網(wǎng)規(guī)格為Φ6.5 mm×4600 mm×900 mm。

（2）煤幫支護(hù)

① 螺紋鋼錨桿（配M3 鋼帶、M3 托盤(pán)）：幫部每排布置4 根Φ22 mm×2600 mm 左旋螺紋鋼錨桿，間距不一，排距800 mm，上部3 根錨桿配M3托盤(pán)壓M3 鋼帶支護(hù)，底部1 根為單體支護(hù)，錨桿預(yù)緊力矩300 N·m。

② 柔性錨桿（小煤柱側(cè)）：小煤柱一側(cè)幫部每隔兩排錨桿補(bǔ)充2 根Φ21.8 mm×4300 mm 柔性錨桿，間排距為1650 mm×1600 mm，錨桿預(yù)緊力200 kN。

③ 網(wǎng)片：幫部縱向鋪設(shè)1 片金屬菱形網(wǎng)，其規(guī)格為3200 mm×900 mm。幫網(wǎng)上部與頂網(wǎng)搭接不小于200 mm，錨桿必須打到壓茬處，搭接部位每隔200 mm 三花邁步綁扎，用14#鐵絲雙股扭結(jié)，不少于三扣。

具體14-1105工作面回采巷道的支護(hù)布置如圖5。

3.2 效果分析

14-1105 工作面回采巷道沿空掘巷期間，在滯后掘進(jìn)頭15 m 的位置處設(shè)置圍巖變形觀測(cè)站，每間隔2～3 d進(jìn)行一次圍巖變形量的觀測(cè)，持續(xù)觀測(cè)30 d，根據(jù)觀測(cè)結(jié)果繪制出圍巖變形量曲線如圖6。

圖6 回采巷道圍巖變形曲線圖

分析圖6 可知，巷道圍巖的變形主要集中在掘出后的0～10 d 內(nèi)，巷道掘出10 d 后，圍巖變形速率大幅下降，巷道掘出15 d 后，圍巖變形量基本不再變化。最終巷道頂?shù)装寮皟蓭鸵平孔畲笾捣謩e為95 mm 和159 mm，圍巖變形量小，滿足回采巷道使用要求。

4 結(jié)論

根據(jù)14-1105 工作面回采巷道的地質(zhì)條件，綜合采用應(yīng)力降低區(qū)寬度、應(yīng)力強(qiáng)度雙因素、寬高比優(yōu)化和有效錨固體寬度四種方法，確定煤柱寬度為6 m，設(shè)計(jì)巷道頂板劃分為淺部基礎(chǔ)層、中部承載層和深部強(qiáng)化層三個(gè)方面進(jìn)行支護(hù)，煤柱幫采用螺紋鋼錨桿+柔性錨桿進(jìn)行支護(hù)。根據(jù)巷道掘進(jìn)期間的圍巖變形量分析可知，巷道在6 m 煤柱寬度和現(xiàn)有支護(hù)方案下，圍巖變形量小，滿足回采巷道使用要求。