迎采動(dòng)沿空掘巷圍巖控制技術(shù)方案研究

丁向勇，馬振宇，王燕妮

(1.彬縣煤炭有限責(zé)任公司蔣家河礦， 陜西 咸陽 713500； 2.彬縣煤炭有限責(zé)任公司， 陜西 咸陽 713500)

1 引言

煤礦資源一直是各個(gè)國家的重要發(fā)展資源，其帶來的資源收益也是各資源型國家收益的重要組成部分。但是我國國有的大型煤礦的出采率一直比發(fā)達(dá)國家低，煤炭的資源浪費(fèi)也比較嚴(yán)重。因此，如何提高煤礦的出采率，減少煤礦資源的浪費(fèi)是我們的重要研究對象(張杰，2021)。

我國在煤礦開采應(yīng)用較多的技術(shù)是綜放開采，此開采技術(shù)通常是用中厚層或厚層煤礦開采理論作為理論依據(jù)的，雖然此技術(shù)在我國有了較長時(shí)間的發(fā)展，并有著一定的應(yīng)用成果，但其理論研究還很片面，因此在煤礦開采過程中會(huì)有一定程度的損失和不安全性，為了減少這些資源損失，提高采礦效率，我國許多的專家學(xué)者針對大量的實(shí)際數(shù)據(jù)對應(yīng)用技術(shù)進(jìn)行了分析研究，通過建立相關(guān)的力學(xué)模型，研究相關(guān)的理論原理，提出了相對應(yīng)的沿空掘巷圍巖控制技術(shù)(Chu，2018；袁振華，2020)。

本文以蔣家河煤礦ZF211工作面為工程背景，對迎采動(dòng)沿空掘巷進(jìn)行了理論分析和數(shù)值模擬分析，分析了迎采動(dòng)影響下的煤柱寬度和沿空掘巷圍巖控制技術(shù)的相關(guān)性，提出了更加科學(xué)的工作面支護(hù)技術(shù)，為煤礦的迎采動(dòng)沿空掘巷提供了真實(shí)有效、可靠的數(shù)據(jù)信息和參考。

2 研究內(nèi)容和方法

2.1 工程概況

蔣家河煤礦ZF211工作面應(yīng)用的是綜放開采的采煤技術(shù)，其工作面采的是4號煤層，煤層平均厚度4.0 m，煤層傾角是6.5°，且工作面所在的煤層煤塵有爆炸的危險(xiǎn)性，也是可能發(fā)生自燃的煤層。經(jīng)過實(shí)驗(yàn)室的鑒定結(jié)果和專家的審核，蔣家河4號煤層是具有弱沖擊傾向性的弱沖擊危險(xiǎn)性工作面。其工作面的煤層頂?shù)装迩闆r如表1所示。

由于在蔣家河礦井開采4號煤層受到了沉積作用的影響，開采區(qū)域的含水層和其他層構(gòu)成了復(fù)雜的地質(zhì)結(jié)構(gòu)，如何在開采區(qū)域留設(shè)合理的煤柱寬度，采用科學(xué)有效的支護(hù)方案，以此來保證留設(shè)煤柱的穩(wěn)定性對沿空掘巷十分關(guān)鍵。

表1 ZF211工作面煤層情況

2.2 迎采動(dòng)沿空掘巷

對煤礦的開采是一個(gè)破壞原有巖石平衡應(yīng)力的過程，會(huì)使煤層的應(yīng)力場發(fā)生改變。維護(hù)或減少巷道受到的影響，不僅需要考慮巷道自身的自然條件，還需要減弱采動(dòng)的影響(靳華等，2021)。如圖1所示，為巷道頂板結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定期。

圖1 巷道頂板穩(wěn)定的四個(gè)時(shí)期

迎采動(dòng)工作面沿空掘巷是在煤礦挖掘的中期掘進(jìn)巷道的，并在其中占據(jù)了主要部分，對其各個(gè)時(shí)期的分析有助于對其穩(wěn)定性的研究。本文對迎采動(dòng)沿空掘巷進(jìn)行了分析研究，其過程可以為其圍巖控制的技術(shù)方案提供理論依據(jù)，從而幫助實(shí)驗(yàn)順利進(jìn)行。

2.3 煤柱寬度和圍巖控制技術(shù)研究

為了能夠較準(zhǔn)確的計(jì)算出適合工作面開采工作的煤柱寬度，分別從內(nèi)外應(yīng)力場理論、傳統(tǒng)應(yīng)力極限平衡理論和A.H.Wilson煤柱寬度計(jì)算三個(gè)理論計(jì)算得到蔣家河ZF211工作面的煤柱寬度范圍，并進(jìn)行煤柱寬度的確定(李少華，2021)。然后再進(jìn)行理論數(shù)據(jù)計(jì)算出的煤柱寬度的模擬實(shí)驗(yàn)，選取了理論計(jì)算出的煤柱寬度及另外兩組方案進(jìn)行數(shù)據(jù)對比，得出可靠實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果。

內(nèi)外應(yīng)力場計(jì)算公式：

(1)

式(1)中：L是工作面的長度；Ni是基本頂?shù)暮穸?；β是基本頂平均容重；Φt是基本頂抗拉強(qiáng)度；p是基本頂承受的載荷；G0是斷裂處的煤體剛度；b0是煤壁的壓縮量。

通過蔣家河煤礦ZF211工作面的參數(shù)測試結(jié)果，就可以用式(1)計(jì)算出應(yīng)力場理論下的煤柱寬度。傳統(tǒng)應(yīng)力極限平衡理論計(jì)算公式：

(2)

式(2)中：D是煤體應(yīng)力極限平衡區(qū)的寬度；H是工作面煤層厚度；μ是側(cè)壓系數(shù)；A0是滑移面內(nèi)聚力；θ0是滑移面內(nèi)摩擦的角度，一般是煤體強(qiáng)度的0.6倍，T0是側(cè)向采動(dòng)應(yīng)力系數(shù)；p是上覆巖層壓力；py是煤幫的支護(hù)阻力；?是煤層傾角。

再結(jié)合煤體的垂直應(yīng)力和剪應(yīng)力，就可以用此理論計(jì)算出適合工作面的煤柱寬度。

A.H.Wilson煤柱寬度計(jì)算公式：

D=μHT

(3)

式(3)中：μ是經(jīng)過試驗(yàn)得出的常量；H是工作面煤層厚度；T是開采的深度。

以上三式都可以得到一個(gè)工作面的煤柱寬度，將這些煤層厚度和開采的深度作為變量，對得到的煤柱寬度進(jìn)行分析，得出最合理的工作面煤柱寬度(Fang et al.,2021；蘇杰，2021)。

確定了煤柱寬度后，以工作面的支護(hù)方案為研究對象，合適的支護(hù)方案可以較好的控制住巷道變形的情況，因此支護(hù)錨桿的支護(hù)強(qiáng)度、錨固體的性能、合適的錨桿支護(hù)技術(shù)都將對巷道圍巖穩(wěn)定產(chǎn)生非常重要的影響。

3 迎采動(dòng)沿空掘巷圍巖控制技術(shù)方案的分析研究

3.1 迎采動(dòng)沿空掘巷穩(wěn)定性分析

對于煤礦開采時(shí)期的煤層建立巖層結(jié)構(gòu)，對其進(jìn)行理論分析發(fā)現(xiàn)，掘巷前的結(jié)構(gòu)是比較穩(wěn)定的。在迎采動(dòng)時(shí)，因?yàn)楣ぷ髅婊夭蓭淼膽?yīng)力影響，開采巷道的圍巖應(yīng)力在不斷增加，而且巷道圍巖的變形也隨之逐漸增加，此時(shí)需要采取合適的支護(hù)方法以減小對上覆巖層結(jié)構(gòu)的影響，使巷道圍巖處于穩(wěn)定狀態(tài)。

沿空掘巷時(shí)期，隨著開采工作的不斷進(jìn)行，巷道會(huì)逐漸與工作面水平相會(huì)。當(dāng)巷道的一邊出現(xiàn)窄煤柱，上覆巖層結(jié)構(gòu)會(huì)發(fā)生較大的改變，工作面中的直接頂也會(huì)發(fā)生規(guī)則或不規(guī)則的下沉，最終會(huì)發(fā)生基本頂離層的現(xiàn)象?；卷?shù)膸r層也會(huì)隨之彎曲下沉直至斷裂(Zhang et al.,2018；梁小軍，2021)。

工作面在采動(dòng)期間發(fā)生變形是不可避免的，巷道在適應(yīng)變形的同時(shí)需要加強(qiáng)錨桿支護(hù)和其他措施，保證巷道的穩(wěn)定，從而保證工作面正常的開采工作。并且在工作面發(fā)生變形的前后應(yīng)該監(jiān)測收集基本數(shù)據(jù)，為煤柱寬度的研究提供基礎(chǔ)的數(shù)據(jù)信息(茍瑾，2018)。

3.2 煤柱寬度的分析討論

煤柱寬度和工作面出采率的關(guān)系曲線如圖2所示。

圖2 煤柱寬度和工作面出采率的關(guān)系曲線

當(dāng)工作面中留有的煤柱寬度越大時(shí)，此工作面的出采率越小，而煤柱寬度又與工作面的安全性、穩(wěn)定性有關(guān)，因此，找到適合工作面的煤柱寬度將會(huì)更有助于煤體的開采。

工作面需要煤柱留設(shè)時(shí)，也就意味著工作面出現(xiàn)了塑性區(qū)和破碎區(qū)，而煤柱是為了穩(wěn)定區(qū)域，讓煤層開采得以順利進(jìn)行。由于煤柱沒有應(yīng)力集中區(qū)，因此煤柱的受力并不大，煤柱寬度需要適當(dāng)?shù)拇笮菫榱吮苊饷褐鶎挾鹊脑龃笞屜锏雷冃卧黾拥眠^于劇烈，煤柱寬度不能過大(劉玉平，2021；張兵強(qiáng)，2021)。綜上所述，工作面的合理性煤柱寬度需要結(jié)合多方面的數(shù)據(jù)和影響因素。

從內(nèi)外應(yīng)力場理論、傳統(tǒng)極限平衡理論和兩區(qū)約束理論進(jìn)行分析，研究上覆巖層壓力等對塑性區(qū)寬度的影響，總結(jié)其規(guī)律分布，為煤柱寬度確定提供理論依據(jù)(Phuc et al.，2020；張樹林，2021)。

根據(jù)三個(gè)理論的煤柱寬度計(jì)算公式，計(jì)算出合理的煤柱寬度應(yīng)該小于7.5 m，綜合考慮開采區(qū)積水、煤體強(qiáng)度等因素的影響，煤柱寬度的合理值應(yīng)該在4 m以上?？紤]到煤柱的位置應(yīng)該避免高應(yīng)力的影響，因此煤柱的位置應(yīng)該有1.5 m左右的偏移，因此理論數(shù)據(jù)上煤柱的合理寬度應(yīng)該是6 m。

3.3 圍巖控制技術(shù)方案

巷道的支護(hù)方案需要選擇正確的錨桿支護(hù)理論，各種支護(hù)理論如圖3所示。

傳統(tǒng)的錨桿支護(hù)理論分別有：組合梁理論、組合拱理論、懸吊理論、最大水平應(yīng)力理論等，這些理論是以假說為基礎(chǔ)，從不同的角度和不同的條件敘述錨桿支護(hù)的作用機(jī)理，不同的支護(hù)理論有著不同適用的工作面巖層情況。

結(jié)合理論分析蔣家河ZF211工作面的實(shí)際情況，需要新的支護(hù)理論。通過大量的理論研究和試驗(yàn)，針對此工作面的情況提出了錨桿支護(hù)圍巖強(qiáng)度強(qiáng)化理論，該理論在應(yīng)用了錨桿支護(hù)的基礎(chǔ)上，擴(kuò)大了錨桿支護(hù)的使用范圍，為巷道圍巖破碎的錨桿支護(hù)提供了依據(jù)(陳曉翔等，2020)。

在對高地應(yīng)力強(qiáng)采影響下巖體發(fā)生變形和破壞的煤礦巷道進(jìn)行圍巖支護(hù)時(shí)，必須考慮到煤和巖體的破壞強(qiáng)度、變形特征以及錨桿對圍巖強(qiáng)度和參與強(qiáng)度的作用，這樣才能使得巷道錨桿支護(hù)圍巖強(qiáng)度強(qiáng)化理論可以在實(shí)際中應(yīng)用。在對圍巖進(jìn)行支護(hù)時(shí)，要將圍巖和支護(hù)錨桿看成一體，錨桿可以增加圍壓，改善巷道圍巖的應(yīng)力情況，讓有著脆延性轉(zhuǎn)化性能、發(fā)生了變形破壞和強(qiáng)度變小特征的破裂圍巖有所改善，從而控制巷道圍巖的變形和破壞(顧國民，2022)。對需要支護(hù)的巷道的錨桿支護(hù)原則，如表2所示。

在錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)過程中，錨桿支護(hù)參數(shù)理論的計(jì)算是其中的重點(diǎn)工作，其相互匹配的支護(hù)設(shè)計(jì)原則就是以錨桿參數(shù)作為核心，通過錨桿預(yù)緊力、錨桿支護(hù)參數(shù)和錨索支護(hù)參數(shù)等的計(jì)算，形成相應(yīng)工作面最為合理的錨桿支護(hù)參數(shù)，進(jìn)而完成合理的錨桿支護(hù)(申艷軍等，2022；楊朋博等，2022)。

在煤體進(jìn)行迎采動(dòng)沿空掘巷開采時(shí)，其巷道的煤柱幫破壞已經(jīng)較為嚴(yán)重了，在確定的煤柱上需要注漿加固，以此來提高煤柱幫的承載能力，避免其失去相應(yīng)的作用。根據(jù)其注漿加固參數(shù)的理論進(jìn)行計(jì)算，得到最適合煤柱幫的注漿量。除此之外，巖石強(qiáng)度和巷道圍巖強(qiáng)度都會(huì)受到其含水量的影響，因此還需要考慮煤幫的含水量對巷道圍巖穩(wěn)定性的影響。

巷道圍巖的含水情況可能會(huì)對煤柱側(cè)采空區(qū)帶來水害，在開采過程中需要實(shí)時(shí)監(jiān)測井下水量的變化，嚴(yán)防水害事故的發(fā)生(張星江，2022)。

在煤礦巷道錨桿支護(hù)時(shí)，支護(hù)的形式和參數(shù)、支護(hù)的材料和構(gòu)件、支護(hù)的施工及施工檢測監(jiān)測以及質(zhì)量評定等都必須符合國家相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)化要求，使整個(gè)錨桿支護(hù)的過程也形成標(biāo)準(zhǔn)化。此外，巷道的注漿加固同樣也要符合標(biāo)準(zhǔn)化，從而確定工作的有效性。對巷道進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化的錨桿支護(hù)后，也不能對巷道圍巖的變形和破壞情況掉以輕心，需要利用技術(shù)手段監(jiān)測支護(hù)體和圍巖的各項(xiàng)數(shù)據(jù)變化情況，確保錨桿設(shè)計(jì)是合理可靠的，確定巷道圍巖是穩(wěn)定安全的(劉振華，2022)。

通過這些手段得到了相對煤體工作面巷道支護(hù)錨桿方案的參數(shù)，形成全方位的支護(hù)技術(shù)支持和數(shù)據(jù)理論支持，讓迎采動(dòng)沿空掘巷圍巖得到最為有效、安全可靠的控制。

4 結(jié)論與展望

本文通過對蔣家河ZF211工作面不同的支撐應(yīng)力和采動(dòng)應(yīng)力影響規(guī)律的分析研究，確定了ZF211工作面煤層迎采動(dòng)的影響范圍；通過對工作面不同煤柱寬度的應(yīng)力演化規(guī)律的研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)煤柱寬度為6 m時(shí)窄煤柱將處于相對安全的低應(yīng)力狀態(tài)，從而保證煤柱的穩(wěn)定性。在對巷道進(jìn)行監(jiān)測后發(fā)現(xiàn)，巷道的穩(wěn)定過程就是動(dòng)態(tài)平衡的過程，在充分考慮了掘進(jìn)成本、安全和材料等多種因素下，用數(shù)值模擬軟件分析的支錨桿支護(hù)方案是科學(xué)和有效的。本文對蔣家河煤礦的迎采動(dòng)沿空掘巷圍巖控制技術(shù)的試驗(yàn)提供了新的巷道圍巖的控制經(jīng)驗(yàn)和理論，但是試驗(yàn)場所范圍是有限的，要形成一整套的理論還需要研究人員進(jìn)行大量的試驗(yàn)研究。此次試驗(yàn)研究也給今后的研究提供了數(shù)據(jù)和理論基礎(chǔ)，具有一定的參考價(jià)值，隨著關(guān)于迎采動(dòng)沿空掘巷圍巖控制技術(shù)研究的加強(qiáng)，會(huì)增加煤礦開采的效率，減少資源浪費(fèi)，帶來更好的社會(huì)效益。