沿空掘巷煤柱寬度尺寸優(yōu)化研究

宮東豪 王海川

（陜西彬長(zhǎng)胡家河礦業(yè)有限公司，陜西 咸陽(yáng) 713600）

沿空掘巷留小煤柱的目的是將巷道與采空區(qū)隔離，防止采空區(qū)的水與有害氣體串入巷道，危及安全生產(chǎn)[1]。煤柱寬度對(duì)巷道的維護(hù)狀況起決定作用，若煤柱過(guò)小，由于靠采空側(cè)的煤柱受支承力的影響已呈塑性，容易失穩(wěn)，片幫嚴(yán)重[2-3]。陜西彬長(zhǎng)胡家河礦業(yè)有限公司之前沿空掘巷留設(shè)煤柱寬度為4 m，導(dǎo)致巷道圍巖變形嚴(yán)重，亟須對(duì)目前401110 工作面回風(fēng)巷沿空掘巷煤柱寬度進(jìn)行合理優(yōu)化來(lái)保障巷道圍巖穩(wěn)定[4-9]。

1 概況及變形特征分析

1.1 工程地質(zhì)概況

401110 工作面埋深660 m 左右，開采4#煤層，煤層平均厚度為23 m。工作面?zhèn)雾敒?.7 m 厚的泥巖；直接頂為平均厚度5 m 的砂質(zhì)泥巖，巖石飽和抗壓強(qiáng)度為0.6～25.8 MPa；基本頂為厚10.2～20.0 m 的粗砂巖，飽和抗壓強(qiáng)度為6.7～17.2 MPa；工作面?zhèn)蔚诪?.6 m 厚的泥巖；直接底為平均厚度4 m的鋁質(zhì)泥巖，巖石飽和抗壓強(qiáng)度為0.8～23.3 MPa。401109 工作面已經(jīng)回采結(jié)束，401110 工作面回風(fēng)巷沿著401109 面采空區(qū)留小煤柱掘進(jìn)，401110 工作面回風(fēng)巷為矩形斷面，掘?qū)?.8 m，掘高3.9 m，凈斷面17.4 m2。

1.2 巷道圍巖變形特征

（1）圍巖變形速率快

沿空掘巷初期巷道圍巖變形嚴(yán)重，頂板下沉量明顯，前期圍巖變形速率可達(dá)20 mm/d，巷道兩幫收斂變形速率可達(dá)32 mm/d。頂板和兩幫圍巖變形速率較大，巷道圍巖變形速率亟須得到控制。

（2）圍巖兩幫變形量大

沿空掘巷初期巷道兩幫圍巖收斂變形，兩幫部分網(wǎng)片損壞，錨桿被剪斷，最大變形量可達(dá)1.1 m，掘巷煤柱幫變形量大于實(shí)體幫變形量。

（3）圍巖底鼓量大

因沿空掘巷其巷道圍巖偽底和直接底巖性為泥巖，抗壓強(qiáng)度底，掘巷過(guò)程中應(yīng)力較集中，導(dǎo)致底板底鼓明顯，巷道底鼓量最大可達(dá)0.6 m。

2 合理窄煤柱寬度的確定

2.1 模型的建立

根據(jù)401110 工作面具體的工程概況，借助數(shù)值模擬軟件FLAC3D建立模型大小為：長(zhǎng)×寬×高=200 m×120 m×40 m，設(shè)定模型四個(gè)側(cè)面為水平移動(dòng)邊界，底部為固定邊界。數(shù)值模擬圖如圖1。

圖1 數(shù)值模擬圖

2.2 模擬結(jié)果分析

模擬沿空掘巷不同煤柱寬度分別為3 m、4 m、5 m、6 m、7 m、8 m、9 m 和10 m 情況下，401110工作面回風(fēng)巷頂?shù)装搴蛢蓭蛧鷰r變形量，結(jié)果如圖2。

圖2 不同煤柱寬度沿空掘巷圍巖變形量圖

由圖2（a）可知，當(dāng)沿空掘巷不同煤柱寬度分別為3 m、4 m、5 m、6 m、7 m、8 m、9 m 和10 m 時(shí)，巷道兩幫變形量開始逐漸減少。當(dāng)煤柱寬度為3 m時(shí)，巷道兩幫最大變形量為430 mm。當(dāng)煤柱寬度分別為6 m、7 m、8 m、9 m 和10 m 時(shí)，巷道兩幫最大變形量分別為160 mm、150 mm、130 mm、110 mm 和100 mm，分別是煤柱寬度3 m 時(shí)巷道兩幫圍巖變形量的37.2%、34.8%、30.2%、25.5%和23.2%。

由圖2（b）可知，當(dāng)沿空掘巷煤柱寬度分別為3 m、4 m、5 m、6 m、7 m、8 m、9 m 和10 m 時(shí)，巷道頂?shù)装遄冃瘟块_始逐漸減少。當(dāng)煤柱寬度為3 m、4 m 和5 m 時(shí)，巷道頂?shù)装遄畲笠平繛?42 mm、215 mm、189 mm，即煤柱寬度在6 m 以下巷道圍巖頂?shù)装遄冃瘟枯^大，沿空掘巷煤柱尺寸范圍在6～10 m 可保障巷道圍巖穩(wěn)定。煤柱寬度太大會(huì)造成煤炭資源損失，綜合分析，取煤柱寬度為8 m，既經(jīng)濟(jì)又能夠保證巷道圍巖穩(wěn)定性。

3 沿空掘巷圍巖控制方案

401110 工作面回風(fēng)巷采用錨網(wǎng)索聯(lián)合支護(hù)，支護(hù)參數(shù)如下：

（1）頂板支護(hù)。采用Ⅱ級(jí)左旋螺紋鋼筋，直徑為22 mm、長(zhǎng)2500 mm 的錨桿，共打設(shè)8 根錨桿，間排距為700 mm×800 mm，與八孔W 型鋼帶及Q235 規(guī)格為150 mm×150 mm×12 mm 的碟型托盤配套使用。頂板錨索采用Ф21.8 mm×7100 mm 鋼絞線，共打設(shè)5 根錨索，間排距為1300 mm×800 mm，配套使用300 mm×300 mm×16 mmQ235 碟形托盤。每根錨索使用1 支K2360 和2 支Z2360 型樹脂藥卷。錨索預(yù)應(yīng)力不小于200 kN。

（2）兩幫支護(hù)。幫部采用全短錨索支護(hù)，左幫采用Ф15.24 mm×3500 mm、右?guī)筒捎莽?1.8 mm×3500 mm 鋼絞線錨索支護(hù)及異形鋼帶，兩幫各布置5 根錨索，間排距為800 mm×800 mm，每根錨桿（錨索）使用1 支K2360 和1 支Z2360 型樹脂錨固劑。單根錨索預(yù)應(yīng)力不小于120 kN。如圖3所示。

圖3 沿空掘巷支護(hù)斷面圖（mm）

4 監(jiān)測(cè)效果分析

為檢驗(yàn)401110 工作面回風(fēng)巷留設(shè)8 m 寬的護(hù)巷煤柱并采用錨網(wǎng)索支護(hù)的合理性，分別在巷道200 m 和300 m 處各布置一個(gè)測(cè)站，來(lái)監(jiān)測(cè)巷道頂?shù)装搴蛢蓭鸵平浚O(jiān)測(cè)周期為40 d，監(jiān)測(cè)頻率為2 d/次，監(jiān)測(cè)結(jié)果如圖4。

圖4 沿空掘巷圍巖變形監(jiān)測(cè)圖

由圖4 可知，在掘進(jìn)前15 d 巷道圍巖變形量不斷增加，頂?shù)装逡平窟_(dá)110 mm，變形速率為7.3 mm/d，兩幫移近量達(dá)180 mm，變形速率為12 mm/d；22 d 后巷道頂?shù)装搴蛢蓭蛧鷰r變形量開始逐漸趨于穩(wěn)定，巷道頂?shù)装鍑鷰r移近量穩(wěn)定在178 mm，兩幫圍巖移近量穩(wěn)定在272 mm。支護(hù)效果良好，能夠保證圍巖整體的穩(wěn)定性。

5 結(jié)語(yǔ)

根據(jù)401110 工作面具體工程概況，模擬沿空掘巷不同煤柱寬度分別為3 m、4 m、5 m、6 m、7 m、8 m、9 m 和10 m 情況下的圍巖變形量，可知煤柱寬度不斷增大時(shí)，巷道圍巖變形量開始逐漸減少。煤柱寬度8 m 時(shí)，既經(jīng)濟(jì)又能夠保證圍巖穩(wěn)定性。對(duì)回風(fēng)巷進(jìn)行錨網(wǎng)索聯(lián)合支護(hù)后，現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果表明：頂?shù)装鍑鷰r移近量穩(wěn)定在178 mm，兩幫圍巖移近量穩(wěn)定在272 mm，能夠保證礦井安全生產(chǎn)。