騰暉礦沿空掘巷技術支護應用

錢炳均

（霍州煤電集團河津騰暉煤業有限責任公司，山西 河津 043300）

窄煤柱護巷作為一種回采巷道布置方式，具有巷道維護簡單、資源回收率高的優點，近年來得到了廣泛的應用[1-2]。霍州煤電騰暉煤業主采煤層為2號煤，為優質的貧瘦煤；為了提高煤炭資源的回收率，決定降低區段護巷煤柱的尺寸，在騰暉礦2-105工作面進行沿空掘巷的試驗。

1 試驗工作面概況

擬進行窄煤柱護巷試驗的2-105 工作面位于一采區，北部為已經回采的2-104 工作面，西部為礦井邊界，東部為采區巷道。工作面埋藏深度353～485 m。2 號煤層賦存穩定，傾角平緩，平均厚度為5.2 m，局部厚度有變化，含0-2 層夾矸，夾矸厚度約0.1 m。工作面頂底板巖性見圖1。

圖1 2 號煤頂底板巖性

工作面采用走向長壁放頂煤開采，走向長度640 m，傾斜長度120 m，工作面布置見圖2。工作面運輸巷為矩形，斷面為5.0 m×3.0 m（寬×高），沿煤層底板掘進，錨網支護，擬進行窄煤柱護巷的試驗。

圖2 試驗巷道平面布置

2 護巷煤柱寬度的確定

2.1 理論分析

工作面開采和巷道開掘后，在煤壁產生塑性區，護巷煤柱的寬度應大于塑性區的距離并保證一定的富余系數，見圖3[1-4]。

圖3 最小護巷煤柱寬度計算

最小護巷煤柱寬度B 為：

式中：x1為2-104 工作面開采而產生的塑性區寬度，m；x2為2-105 運輸巷掘進而產生的塑性區寬度，m；x3為增加的保護煤柱的寬度，m，一般取值為兩個塑性區寬度之和的15%～35%。

x1、x2下式計算：

R1為塑性區半徑，計算公式如下：

式中：m 為巷道高度，m；α 為煤層傾角，°；A 為側壓系數，A=μ/（1-μ），μ 為泊松比，取0.39；K 為應力集中系數；H 為埋深，m；φ0為煤體內摩擦角，°；C0為煤體粘結力，MPa；γ 為巖層容重，kN/m3；p0為支護阻力，MPa；R0為井巷等效半徑，m。

根據以上條件，可以計算得到x1=2.36 m，x2=3.58 m，由此確定合理的護巷煤柱寬度為6.6～7.7 m。

2.2 數值模擬

根據理論計算的結果，采用FLAC3D對4～9 m不同區段保護煤柱下的巷道表面位移進行計算分析，計算結果見圖4。

圖4 不同煤柱寬度時圍巖變形量

圖4表明，隨著護巷煤柱尺寸的增加，巷道變形先減小后增大，并且頂底板位移和兩幫移近量的變化趨勢基本相同。當煤柱寬度在7 m以下時，隨著煤柱尺寸的增加，巷道表面位移逐漸減少，分析是由于此時巷道處于側向支承應力的降低區內。而超過7 m后，煤柱尺寸的增加造成位移的增加，此時巷道所處的位置已經位于支承壓力區內，受原巖應力的影響較大，因此巷道變形量變大。

綜合以上理論計算和數值模擬研究結果，確定騰暉礦2-105 工作面護巷窄煤柱的合理寬度為7 m。

3 掘巷支護設計

3.1 無支護狀態數值模擬

利用建立的FLAC3D模型，得到無支護狀態的2-105 工作面順槽的塑性區分布見圖5。

圖5 無支護狀態下塑性區分布

由圖可以看出：無支護狀態下，工作面運輸順槽的兩幫和頂板均有一定范圍的塑性區發育，主要破壞形式為剪切和拉伸破壞，其中巷道兩幫剪切破壞尤為明顯。巷道頂板淺部約1.9 m處既有拉伸破壞也有剪切破壞，1.9 m以上以拉伸破壞為主，頂板破壞范圍在7 m以內。

分析可知，2-105 工作面窄煤柱護巷支護設計應該以頂板為主，且支護高度應該大于7 m。巷道底板相對穩定，僅底角正下方及淺部發生剪切破壞，支護設計時可不予考慮。

3.2 主要支護參數的確定

以錨索的長度、排距及頂錨桿的數量為關鍵指標，采用FLAC3D軟件對不同指標選取下的巷道表面位移進行模擬，正交模擬方案見表1[5]。

表1 正交模擬方案

以錨索長度為例，不同錨索長度下巷道變形量的數值模擬結果見圖6。

圖6 錨索長度與巷道表面位移關系

由圖可以看出，隨著錨索長度的增加，巷道的底臌量幾乎保持不變，巷道頂板和兩幫變形量呈現逐漸降低的趨勢，但降低速率不同。當錨索長度小于8 m時，隨著長度的增加，頂板下沉和兩幫收斂迅速減少，但當錨索長度由8 m變為9 m時，巷道變形幾乎保持不變。因此，錨索長度為8.0 m時，錨索能較好地控制巷道圍巖變形量。

按照以上方法確定錨索的排距為0.9 m，頂錨桿數量為6 根。

3.3 窄煤柱護巷支護方案

在數值模擬的基礎上，結合理論計算和工程類比，最終確定支護方案見圖7。

圖7 2-105 運輸巷巷支護方案

（1）頂板支護

a、錨桿支護

頂錨桿為Φ18 mm×2 400 mm的高強螺紋鋼錨桿，每根錨桿使用兩卷Z2360 樹脂錨固劑；間排距為0.9 m×0.9 m，每排布置錨桿6 根，靠近煤幫的兩根錨桿向外傾斜15°，其余垂直頂板。每排錨桿用W鋼帶相連，規格為4 800 mm×100 mm×5 mm（長×寬×厚）。

b、錨索支護

頂錨索規格為Φ17.8 mm×8 400 mm，鉆孔深度8.0 m。使用三卷Z2360 數值錨固劑。錨索呈“五花”布置。

（2）巷幫支護

實體煤幫采用Φ18 mm×2 000 mm左旋無縱筋螺紋鋼錨桿，配一卷Z2360 樹脂錨固劑，間排距為800 mm×900 mm，每排最上位和最下位錨桿分別向上和向下傾斜15°，其余垂直巷幫布置。

回采煤幫采用Φ18 mm×2 000 mm的玻璃鋼錨桿，其他參數與實體煤幫相同。

4 礦壓觀測

2-105 運輸巷掘進過程中設置測站，對巷道表面位移和頂板離層進行觀測，驗證沿空掘巷效果，其中測站3 的觀測結果見圖8。

圖8 三號測站礦壓觀測結果

由圖8可以看出，巷道掘進后10 d內變形量比較大，為巷道劇烈變形期，此階段的底臌量為113 mm，頂板下沉量為36 mm，兩幫收斂達到180 mm。10 d之后，變形速率逐漸減低，到50d左右基本穩定。

由于巷道底板未采取任何支護措施，巷道變形穩定后底臌量相對較大，為206 mm，但對生產影響較小。巷道頂板穩定，最終下沉不足50 mm，留巷支護取得了較好的效果。

頂板離層觀測表明，巷道離層值較小，淺部和深度未出現明顯下沉。

5 結論

1）通過理論計算和數值模擬，確定騰暉礦2-105 工作面窄煤柱的最佳寬度為7 m。

2）以巷道表面位移為評價指標，以錨索長度、間排距等為關鍵因素，采用數值模擬的方法確定錨索長度為8.0 m，排距為0.9 m。

3）2-105 工作面沿空掘巷的礦壓觀測表明，巷道頂板穩定，變形以底臌為主，最大底臌量為206 mm，無需臥底，滿足了生產要求，可為類似條件下窄煤柱護巷設計提供參考。