寺家莊煤業(yè)15117 大采高工作面沿空留墻支護(hù)研究與應(yīng)用

劉 波

（潞安化工集團(tuán)寺家莊公司，山西 晉中 045300）

1 工程概況

寺家莊煤礦15117 工作面開采15#煤層，煤層厚度5.2～4.5 m， 平均4.85 m， 煤層傾角13°～4°，平均8°。工作面頂板巖層為泥巖和粉砂巖，底板巖層為泥巖和砂巖。工作面采用一次采全高采煤工藝，采高5.4 m，循環(huán)進(jìn)度0.8 m。15117 工作面進(jìn)風(fēng)巷沿煤層頂板掘進(jìn)，巷道斷面為矩形，掘?qū)挕辆蚋? 5.2 m×4.1 m，巷道采用錨網(wǎng)索帶支護(hù)。為緩解礦井采掘接替緊張，提高工作面煤炭回采率，在15117 工作面與15119 工作面采用沿空留墻技術(shù)。

沿空留墻技術(shù)原理：15117 工作面回采前，在巷道內(nèi)構(gòu)筑一道混凝土墻體，在15117 工作面回采完畢且覆巖運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定后，15119 工作面回風(fēng)巷沿著混凝土墻體掘進(jìn)，以此實(shí)現(xiàn)工作面的無(wú)煤柱開采，減少巷道掘進(jìn)工程量。具體技術(shù)原理如圖1。

圖1 沿空留墻技術(shù)原理圖

2 沿空留墻圍巖應(yīng)力分析

為確定沿空留墻合理的墻體厚度和圍巖應(yīng)力分布特征，采用FLAC3D數(shù)值模擬軟件，建立長(zhǎng)×寬×高= 150 m×80 m×70 m 的數(shù)值模型，固定模型四周水平方向上位移，限制模型底部在豎直方向上的位移[1-3]。

（1）沿空留巷墻體厚度分析。以寺家莊煤礦的地質(zhì)條件及頂?shù)装鍘r性為基礎(chǔ)，設(shè)置對(duì)比分析充填墻體寬度為1.2 m、1.5 m 和2.0 m 時(shí)圍巖應(yīng)力分布特征，優(yōu)化充填體寬度。不同充填墻體下的圍巖應(yīng)力分布結(jié)果如圖2。

圖2 不同墻體寬度下圍巖垂直應(yīng)力分布云圖

通過(guò)分析圖2 可知，沿空留墻作業(yè)時(shí)，在墻體寬度分別為1.2 m、1.5 m 和2.0 m 時(shí)，充填體內(nèi)的最大垂直應(yīng)力分別為22 MPa、20 MPa 和23 MPa。從圖中能夠看出，隨著充填體寬度增大，圍巖垂直應(yīng)力分布并未出現(xiàn)大幅變化，垂直應(yīng)力分布方面，隨著充填體寬度增大，充填體的垂直應(yīng)力變化較大，應(yīng)力峰值呈現(xiàn)出先減小趨于穩(wěn)定，隨后又逐漸增大的趨勢(shì)。當(dāng)充填體寬度為1.5 m 時(shí)，充填體的荷載傳遞效果較好，且充填體在該寬度下所受的垂直應(yīng)力最小，有利于巷道圍巖穩(wěn)定性控制。綜合國(guó)內(nèi)外現(xiàn)有研究成果及工程實(shí)踐結(jié)果[4-6]，確定沿空留墻寬度為1.5 m。

（2） 留巷圍巖應(yīng)力分析。15117 工作面和15119 工作面回采期間圍巖垂直應(yīng)力分布如圖3。

圖3 一次和二次回采期間圍巖應(yīng)力分布云圖

分析圖3（a）和3（b）可知，15117 工作面回采期間，滯后工作面區(qū)域的垂直應(yīng)力呈現(xiàn)為梯形分布，且滯后工作面煤幫一側(cè)的垂直應(yīng)力與未受采動(dòng)影響區(qū)域相對(duì)比呈現(xiàn)出高應(yīng)力范圍明顯增大的趨勢(shì)。在工作面回采方向上，采空區(qū)頂?shù)装宕怪睉?yīng)力在回采方向上呈現(xiàn)出逐漸增大的趨勢(shì)，采動(dòng)影響下工作面垂直應(yīng)力峰值向回采方向深部進(jìn)行轉(zhuǎn)移，超前支承壓力的影響范圍大于40 m，且在回采側(cè)一幫煤體垂直應(yīng)力的影響范圍相對(duì)較大。15119 工作面回采期間，在二次擾動(dòng)下，圍巖體的水平應(yīng)力向深部轉(zhuǎn)移，垂直應(yīng)力峰值逐漸提高，在超前工作面回采影響范圍內(nèi)，圍巖水平應(yīng)力場(chǎng)呈現(xiàn)出不對(duì)稱分布特征，應(yīng)力向回采方向一側(cè)分流。

3 沿空留墻支護(hù)方案

3.1 支護(hù)方案

根據(jù)15117 工作面和15119 工作面的地質(zhì)條件，結(jié)合沿空留墻墻體寬度及圍巖應(yīng)力的模擬結(jié)果，進(jìn)行15117 工作面進(jìn)風(fēng)巷和15119 工作面回風(fēng)巷支護(hù)方案的設(shè)計(jì)，具體支護(hù)方案如下：

（1）15117 工作面進(jìn)風(fēng)巷支護(hù)

① 基本支護(hù)：采用錨網(wǎng)索+鋼帶聯(lián)合支護(hù)。錨桿為Ф20 mm×2200 mm 的螺紋鋼錨桿，間排距為960 mm×1000 mm。頂部錨索采用Ф17.8 mm×7200 mm 的1×7 股鋼絞線，間排距為1920 mm×1000 mm，幫部錨桿采用Ф18 mm×2400 mm的螺紋鋼錨桿，間排距為800 mm×800 mm，非回采幫一側(cè)布置錨索加強(qiáng)支護(hù)，錨索在距頂板2.0 m的位置處布置，排距為2.7 m，錨索規(guī)格同頂板，如圖4（a）。

② 沿空留墻支護(hù)：采用C40 柔模混凝土。墻體寬度1500 mm，墻體內(nèi)部布置橫向錨栓，墻體兩側(cè)表面布置鋼筋網(wǎng)片。墻體錨栓規(guī)格為Φ22 mm×1650 mm 螺紋鋼，錨栓間排距為800 mm×750 mm。在柔模混凝土墻體構(gòu)筑完成1 d 后，進(jìn)行錨栓預(yù)緊，錨栓預(yù)緊力為150 N·m。鋼筋網(wǎng)片在橫向和縱向布置，鋼網(wǎng)片規(guī)格為Φ6.5 mm，網(wǎng)孔100 mm×100 mm，如圖4（b）。

圖4 15117 工作面進(jìn)風(fēng)巷沿空留墻支護(hù)布置示意圖

（2）15119 工作面回風(fēng)巷采用“錨網(wǎng)索+波紋鋼帶”聯(lián)合支護(hù)

頂板支護(hù)：錨桿采用左旋無(wú)縱筋螺紋鋼錨桿，規(guī)格為Φ20 mm×2200 mm，間排距920 mm×1000 mm；錨索采用1×7 股高強(qiáng)度鋼絞線，規(guī)格為Φ17.8 mm×7200 mm，間排距為1840 mm×1000 mm；鋼帶采用波紋鋼鋼帶，鋼帶為6 孔，鋼帶眼間的間距為960 mm。

幫部支護(hù)：錨桿規(guī)格參數(shù)同頂板，間排距800 mm×800 mm，其中幫部頂板300 m 下方的錨桿與巷幫成15°布置（上傾），幫部最下一排錨桿距離巷道底板600 mm 布置，錨桿與巷幫成15°角（向下）。另外，為加強(qiáng)巷道幫部煤體的控制，在幫部距頂板2.0 m 的位置布置一排錨索，錨索布置在幫部三排鋼帶中間，幫錨索排距為2.7 m，如圖5。

圖5 15119 回風(fēng)巷支護(hù)橫斷面圖

3.2 效果分析

在15117 工作面回采期間，在15117 工作面進(jìn)風(fēng)巷側(cè)澆筑了一道柔模混凝土墻體，因此15117 工作面進(jìn)風(fēng)巷在掘巷期間巷道圍巖變形量較小，柔模混凝土墻體受力較小，15117 工作面垮落后無(wú)法進(jìn)行圍巖變形監(jiān)測(cè)，故主要對(duì)15119 工作面回風(fēng)巷掘進(jìn)期間進(jìn)行觀測(cè)。在掘進(jìn)工作面迎頭布置表面位移監(jiān)測(cè)站，持續(xù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，基于監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)繪制出圍巖變形曲線如圖6。

圖6 15119 工作面回風(fēng)巷圍巖變形量曲線

通過(guò)分析圖6 可知，15119 工作面回風(fēng)巷圍巖變形主要集中在距迎頭0～100 m 的范圍內(nèi)。當(dāng)監(jiān)測(cè)斷面滯后迎頭距離大于100 m 后，圍巖變形速率大幅降低；當(dāng)監(jiān)測(cè)斷面滯后迎頭大于130 m 時(shí)，圍巖變形量基本已經(jīng)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，頂?shù)装寮皟蓭鸵平坎辉僮兓€(wěn)定在一個(gè)數(shù)值附近波動(dòng)。從圖中能夠看出15119 工作面回風(fēng)巷掘進(jìn)期間頂?shù)装寮皟蓭妥冃瘟康淖畲笾捣謩e為220 mm 和240 mm。支護(hù)方案保障了圍巖的穩(wěn)定，滿足回采巷道使用要求。

4 結(jié)論

根據(jù)15117 和15119 工作面的地質(zhì)條件，結(jié)合沿空留墻技術(shù)原理，通過(guò)數(shù)值模擬軟件確定墻體合理寬度為1.5 m，得出圍巖在一次回采和二次回采期間圍巖應(yīng)力分布特征，設(shè)計(jì)15117 進(jìn)風(fēng)巷和15119 回風(fēng)巷基本支護(hù)均采用錨網(wǎng)索+鋼帶的聯(lián)合支護(hù)，墻體采用寬度為1.5 m 的C40 柔模混凝土+錨栓+鋼筋網(wǎng)片。根據(jù)15119 工作面回采期間回風(fēng)巷圍巖變形規(guī)律，支護(hù)方案保障了圍巖的穩(wěn)定。