開拓煤業(yè)3115 回風順槽沿空掘巷關鍵參數(shù)研究與應用

虎曉宏

（山西潞安集團蒲縣開拓煤業(yè)有限公司，山西 臨汾 041206）

1 工程概況

開拓煤業(yè)3 號煤層厚度約2.2～2.4 m，煤層傾角3°，有一層夾矸約0.2～0.4 m，結構較簡單，屬穩(wěn)定可采煤層。頂板為細粒砂巖，底板為泥巖。3115回風順槽是為滿足3115 工作面回風、運料、行人所掘的巷道，東為鳳凰臺煤業(yè)，西為該礦主要大巷，南為3113 已采工作面，北為設計的3115 工作面。

3#煤層現(xiàn)階段工作面間區(qū)段煤柱寬度多為35～40 m，3113 回風順槽護巷煤柱寬度為40 m。3113 工作面回采期間，工作面前方90 m 沿空側巷道表面變形量開始變大。以巷道中線及腰線為軸，巷道頂?shù)装寮皟蓭捅憩F(xiàn)不對稱破壞特征，豎直方向：靠近煤柱一側頂板下沉量明顯大于靠近實體煤一側；水平方向：煤柱幫片幫內移量明顯大于實體煤幫。結合以往沿空巷道破壞特點，提出3115 回風順槽支護原則：非對稱支護原則，加強煤柱幫及煤柱側頂板的支護；高預緊力支護原則，加大錨索預緊力，減小頂板下沉；吊頂、控幫的三位一體原則，煤柱幫一側增設錨索+槽鋼提升剛度，調整頂板錨索角度，減小煤柱側頂板回轉下沉量。

2 最優(yōu)護巷煤柱寬度模擬研究

為解決大煤柱順槽支護效果差、回采率低的問題，擬采用小煤柱護巷的方式進行巷道布置。參考以往的相關研究成果[1-3]，護巷煤柱的寬度對于沿空巷道的穩(wěn)定性具有顯著的影響，為確定3115 回風順槽的最佳煤柱寬度，以3115 回風順槽掘進及3115工作面回采為工程背景，建立三維數(shù)值模擬模型，研究分析最佳的護巷煤柱寬度。參考相似地質條件下小煤柱沿空掘巷成功應用實例[4]，設計煤柱寬度分別為5 m、8 m、15 m 三個方案，三維數(shù)值模型如圖1（a）。3 號煤煤層厚度2.3 m，巷道沿頂板掘進，兩側工作長度為100 m，模型邊界條件如圖1（b），模型頂面施加8.7 MPa 豎直向下的邊界載荷。

圖1 數(shù)值模擬模型及邊界條件詳圖

模擬步驟：模型計算平衡得到初始地應力場→3113 工作面的逐步回采（每次開挖步距2.4 m，共開挖50 次，推進120 m）→不同護巷煤柱寬度條件下3115 回風順槽開挖支護（巷道斷面寬×高=4.6 m×4.2 m，每次開挖10 m，分12 次開挖）→3115 工作面回采（開挖步距2.4 m，共開挖50 次，推進120 m）。模擬過程中，3115 回風順槽開挖完成后，記錄巷道長度方向中部截面巷道頂板、底板、兩幫的變形量，整理結果如圖2（a）。3115 工作面回采60 m 時，記錄超前工作面10 m 處3115 回風順槽圍巖表面變形量，整理結果如圖2（b）。

由圖2（a）結果可看出，沿空巷道掘進期間，圍巖表面主要變形表現(xiàn)為窄煤柱幫內移及頂板的下沉。煤柱寬度為5 m 時，圍巖表面變形最嚴重；護巷煤柱寬度增大至8 m，巷道表面變形量顯著減小，窄煤柱幫內移量由381 mm 減小為177 m，減小了46.5%，頂?shù)装寮皩嶓w煤幫變形量同樣減小30%～40%；護巷煤柱15 m 時，相對煤柱寬度8 m，同等條件下巷道表面位移量減小約15%～30%，巷道表面位移量的差值顯著小于護巷煤柱寬度為8 m、5 m 之間的差值。由圖2（a）結果可看出，工作面回采期間，煤柱寬度為8 m 時，沿空巷道變形量相對煤柱寬度為5 m 時顯著減小，煤柱寬度為15 m相對煤柱寬度為8 m，沿空巷道變形量差值顯著較小。綜上可得，護巷煤柱寬度為8 m，沿空巷道圍巖穩(wěn)定性相對于煤柱寬度5 m 顯著提高，綜合考慮經濟、資源利用率等因素，確定護巷煤柱寬度設計為8 m 最為合理。

圖2 沿空巷道圍巖位移情況模擬結果

3 3115 回風順槽支護設計

采用懸吊理論分析計算確定3115 回風順槽支護參數(shù)[1]，頂板錨網索支護：每排6 根錨桿，間距為0.8 m，垂直頂板打設，考慮實際施工中的偏差，允許5°誤差，排距為0.7 mm，錨桿直徑為22 mm，長為2.4 m，采用6“眼”W 型鋼帶，規(guī)格：Φ12-5-80-4400 mm；采用網孔50 mm×50 mm菱形網護頂。錨桿錨固劑：一支MSK2335（在上）和一支MSZ2360（在下）型樹脂藥卷，錨固長度為1.2 m。頂板錨索布置：錨索每排布置兩根、三根交替，以巷道中心線向左右兩側各1.6 m 間距均勻布置，排距為1.4 m。錨索規(guī)格及布置方式：直徑21.7 mm，長6.2 m；配備300 mm×300 mm×12 mm 拱形托盤，采用一支MSK2335（在上）和兩支MSZ-2360（在下）樹脂藥卷錨固。

兩幫錨桿規(guī)格及布置方式：錨桿直徑20 mm，長2.0 m，每側錨桿5 根/排，靠近頂板的錨桿距頂板0.25 m，向上傾斜15°打設，靠近腰線的3 根錨桿水平布置，靠近底板的錨桿與底板間距為0.15 m，向下傾斜15°安裝，結合現(xiàn)場實際施工的偏差，允許5°的安裝誤差，間排距0.8 m×0.7 m，采用與頂板錨桿相同的錨固方式，兩幫采用聚丙烯雙抗網護幫。窄煤柱側補強加固措施：巷道掘進期間，滯后迎頭約100 m 開始進行補強支護，錨索為直徑17.8 mm 預應力鋼絞線，長4.2 m，間排距1.5 m×1.4 m，每排兩根，上部一根距頂板1.4 m，下部一根距底板1.3 m，兩根錨索間由長度1.7 m 的16#槽鋼聯(lián)結，錨索錨固方式與頂板錨索相同；同樣在滯后迎頭100 m 左右位置開始進行注漿作業(yè)，每排施工3 個深度2500 mm 的注漿孔，布置間排距均為1.4 m，注漿管支架42 mm，長度1.5 m，采用425 硅酸鹽水泥添加8%的ACZ-1 配置漿液，首先注最上方的注漿孔，注漿壓力控制在4～6 MPa。綜上，3115 回風順槽支護詳情如圖3。

圖3 3115 回風順槽支護詳圖（mm）

4 現(xiàn)場應用及礦壓監(jiān)測

3115 回風順槽留設8 m 的護巷煤柱，采用上述支護方式掘進期間，監(jiān)測巷道頂?shù)装寮皟蓭椭胁康囊平浚捎脭?shù)據(jù)處理軟件得到頂?shù)装濉蓭拖鄬ξ灰屏侩S著成巷時間的變化曲線如圖4（a）。可以看出，巷道圍巖表面位移增加較快，巷道開挖支護約25～30 d 時，圍巖表面位移量增速基本趨近于零，兩幫移近量維持在214 mm，頂?shù)装逡平烤S持在149 mm，巷道表面整體變形量在合理可控范圍內，能夠滿足巷道正常使用功能的斷面需求。3115 工作面回采期間，超前工作面100 m 處設置煤柱應力監(jiān)測點，鉆孔應力計長度1～6 m，觀測頻率2 d/次，整理得到煤柱內應力變化規(guī)律如圖4（b）。超前工作面約90 m，煤柱內垂直應力開始逐漸增大，距工作面10 m 附近，煤柱內垂直應力達到峰值，且煤柱內3～5 m 應力較大，該部分為應力集中峰值區(qū)域，可認為煤柱內3～5 m 為彈性核區(qū)，對巷道頂板起到良好的支撐作用。

圖4 現(xiàn)場應用期間監(jiān)測數(shù)據(jù)整理結果

5 結論

開拓煤業(yè)3#煤層回采工作面沿空巷道圍巖表面位移呈現(xiàn)顯著的非對稱性，結合圍巖變形特征，提出非對稱支護理念，并設計具體的巷道支護參數(shù)及補強加固措施，數(shù)值模擬研究分析確定最合理的護巷煤柱寬度為8 m。現(xiàn)場應用期間，巷道表面位移量及煤柱內應力監(jiān)測結果表明，此次研究設計的沿空巷道支護參數(shù)及護巷煤柱寬度較合理，沿空巷道表面變形量在合理可控范圍內，提高了資源利用率及生產的安全性，可在后續(xù)工作面推廣使用。