緩斜煤層回采巷道區(qū)段保護煤柱留設與支護技術研究

鄧東杰

（山西介休義棠城峰煤業(yè)有限公司，山西 介休 032000）

1 工程概況

山西介休義棠城峰煤業(yè)有限公司（城峰煤礦）目前開采1 號、9+10 號煤層，生產能力90 萬t/a。010105 綜采工作面位于上組煤一采區(qū)，是該采區(qū)第五個回采工作面。該工作面位于上組煤集中運輸巷南部，東側為010103 綜采工作面，北側相隔65 m 實體煤柱為上組煤集中運輸巷，西側為未開采實體煤區(qū)域（一采區(qū)生產規(guī)劃區(qū)域），南側為礦井邊界保安煤柱。工作面煤層平均厚度5.15 m，傾角20°～28°。頂板為砂質泥巖，厚度2.45～7.27 m，平均6.09 m，頂板厚度變化較大，節(jié)理較發(fā)育，為Ⅱ類中等穩(wěn)定巖層。底板為粉砂巖，抗壓強度為28.2～85.8 MPa，抗拉強度為3.63～4.05 MPa，抗剪強度為12.4 MPa，底板為Ⅲ～Ⅳ類較軟～中硬巖層。

2 回風順槽支護及破壞特征

城峰煤礦一采區(qū)工作面沿中部集中運輸巷、軌道巷、回風巷兩側對稱布置，區(qū)段煤柱20～25 m，回采巷道為斜頂梯形斷面，設計沿1#煤頂板掘進，掘進左幫高2.2 m，掘進右?guī)透?.7 m，掘進寬度4.8 m，左幫凈高2.1 m，右?guī)蛢舾?.6 m，凈寬3.5 m。010105 工作面及已采掘工作面兩側運輸順槽、回風順槽采用錨桿+錨索梁+噴漿支護，詳細支護參數(shù)如圖1。頂板和兩幫均采用規(guī)格Ф18 mm×2200 mm 的高強錨桿，間排距800 mm×800 mm，低幫側“三二三”布置，高幫側“六五六”交替布置，頂板每排8 根。頂板及兩幫錨索均采用Ф18.9 mm×6300 mm 的預應力鋼絞線。幫錨索間排距1000 mm×1600 mm，低幫每排兩根，高幫每排三根錨索，靠近頂板處向上傾斜30°施工，靠近巷道腰線處沿水平方向垂直巷幫施工，靠近底板處向下傾斜15°施工。頂板每排3 根錨索，間排距2000 mm×1600 mm，均垂直頂板施工。

圖 1 區(qū)段煤柱各個監(jiān)測鉆孔應力計平面布置圖（mm）

在城峰煤礦1#煤一采區(qū)工作面回采實地調研發(fā)現(xiàn)，1#煤層強度低，較破碎，屬于“三軟煤層”。以兩側回采巷道掘進初期即開始出現(xiàn)局部變形的010104 工作面為例，010104 回風順槽緊鄰010102工作面留設20 m 區(qū)段煤柱布置，掘進期間安裝頂板離層儀[1]，掘巷10 d 后兩幫即出現(xiàn)局部內鼓，頂板也開始出現(xiàn)下沉，但頂板離層儀淺部和深部的讀數(shù)均未發(fā)生變化。在鄰近010102 工作面回采期間，對應巷段礦壓顯現(xiàn)更為劇烈，高幫（010102 工作面?zhèn)龋┒嗵幊霈F(xiàn)明顯的片幫，兩幫收斂嚴重，最大處達到1200～1500 mm，頂板整體下沉，平均斷面收縮率達到20%～30%，已嚴重影響回采巷道后期的正常使用，需反復維修方能保障工作面的正常生產。

3 巷道圍巖失穩(wěn)機制及控制技術

城峰煤業(yè)1#煤層工作面回采巷道采用斜頂梯形斷面，巷道圍巖典型破壞特征如圖2。巷道開挖后圍巖應力呈非對稱分布，低幫應力集中程度大于高幫，由于頂板巖層強度高于兩幫，將導致兩幫松軟煤體向巷道內擠壓凸出，引起兩幫擠壓流動失穩(wěn)，如圖2（a）。當頂板較軟弱且地應力較大時，低幫側頂板三分之一處將出現(xiàn)裂隙擴展、頂板錯動，頂板中部整體下沉，導致頂板壓縮錯動失穩(wěn)，如圖2（b）。根據(jù)巷道表面礦壓顯現(xiàn)特征可看出，巷道兩幫煤體松軟破碎，承載性能差，淺部煤體承載力基本為零，僅通過錨桿、錨索無法將淺部煤體錨固為一個整體并與深部穩(wěn)定煤巖體搭接，兩幫煤巖體塑性破壞深度增大，加劇頂板的失穩(wěn)變形，最終導致巷道圍巖的整體破壞。

圖2 巷道礦壓顯現(xiàn)特征

基于城峰煤礦回采巷道破壞特征，提出圍巖控制原則和方法[2]：（1）頂板整體下沉且無離層現(xiàn)象，頂板整體穩(wěn)定性良好，兩幫支承能力弱，可通過在頂角處打設錨桿、錨索進一步提高頂板的整體性和穩(wěn)定性。（2）兩幫為極松軟煤層，承載性能差，錨桿、錨索易失效，故考慮采用三向可縮型鋼棚被動支護方式，既可以對頂板起到支撐作用減小頂板下沉，又能減小兩幫受力減小幫部內移。

4 相似模擬研究

為探討城峰煤礦1#煤層回采巷道采用錨網索+多向可縮異形棚支護的可行性，并設計更為合理的區(qū)段煤柱寬度，依托010105 工作面地質狀況進行相似模擬實驗[3-4]。相似模型幾何相似比1:50，容重相似比為1:1.67，模型尺寸長×寬×高=0.8 m×0.2 m×0.8 m，如圖3 所示。裝填材料以河沙為骨料，煤層采用實體松軟煤層模擬。模型建立完成后，首先進行極軟煤層中巷道的開挖和支護，之后進行工作面的開挖，研究不同煤柱尺寸下巷道的圍巖位移及應力特征。

圖3 相似物理模型

工作面首次開挖后，采空區(qū)邊界距煤柱400 mm，即實際的20 m，之后每次開挖50 mm，煤柱寬度減小2.5 m。巷道頂板由淺至深布置位移觀測點，整理得到頂板巖層由淺至深隨煤柱寬度變化規(guī)律如圖4（a）；在兩幫煤體內布置應力監(jiān)測點，整理得到不同煤柱寬度條件應力變化規(guī)律如圖4（b）。

圖4 相似模擬結果

由相似模擬結果可以看出，區(qū)段保護煤柱寬度由20 m 減小至10 m（400～200 mm），巷道頂板下沉量呈增大趨勢，淺部位移量大于深部位移量，頂板下沉量也達到了最大值，淺部頂板巖層下沉量達5 mm（實際250 mm），深部達到3 mm（實際150 mm）。巷道兩側煤柱內應力呈增大趨勢，煤柱寬度由12.5 m 繼續(xù)減小，煤柱內應力增幅明顯增大；煤柱寬度由7.5 m 繼續(xù)減小，煤柱內應力則開始減小，表明煤柱已屈服破壞進入二次承載狀態(tài)。綜上所述，煤柱寬度小于7.5 m 時，兩幫煤巖體已全部屈服破壞，圍巖趨于失穩(wěn)；煤柱寬度大于12.5 m 時，煤柱未充分發(fā)揮其承載性能。因此，區(qū)段煤柱合理尺寸為7.5～12.5 m。

5 現(xiàn)場應用及效果分析

010105 回風順槽掘進采用錨網索+多向可伸縮異形棚聯(lián)合支護，與010103 運輸順槽間留設10 m 區(qū)段保護煤柱，掘進寬度5.0 m。頂板和兩幫錨桿規(guī)格Ф20 mm×2400 mm，間排距800 mm×800 mm。頂板錨索采用Ф18.9 mm×8250 mm 的預應力鋼絞線，間排距為1600 mm×1600 mm；高幫肩角處額外施工頂角錨索，幫錨索長度6500 mm，間排距1600 mm×1600 mm，低幫每排兩根，中部錨索垂直煤幫施工，靠近底角的向下傾斜20°布置，高幫每排三根錨索，靠近頂板處向上傾斜30°施工，靠近巷道腰線處沿水平方向垂直巷幫施工，靠近底板處向下傾斜30°施工，并在底角處額外施工一根底角錨索。異形鋼棚采用U36 型鋼制作，頂梁和柱腿均由兩節(jié)制作，布置間距1600 mm，與錨索交替布置于錨桿之間。支護斷面如圖5（a）。

圖5 實地應用及效果分析

010105 回風順槽掘進期間進行圍巖位移監(jiān)測，成巷100 d 后，巷道頂板下沉量最大僅10 mm，兩幫未出現(xiàn)明顯的收斂現(xiàn)象。鄰近010103 工作面回采期間，整理得到巷道表面變形量與鄰近工作面距離的變化關系如圖5（b），距鄰近工作面約80 m 時，巷道表面開始出現(xiàn)明顯的變形；鄰近工作面推過測點位置后，頂板下沉量基本不再增大；滯后鄰近工作面約40 m 后，兩幫變形量趨于穩(wěn)定，頂板下沉量穩(wěn)定在208 mm，兩幫移近量穩(wěn)定在186 mm，圍巖整體穩(wěn)定，頂板下沉和兩幫內移得到了有效控制。

6 結論

現(xiàn)場調研表明，城峰煤業(yè)1#煤層回采巷道圍巖變形破壞嚴重，表現(xiàn)為兩幫擠壓流動失穩(wěn)和頂板壓縮錯動失穩(wěn)，提出采用錨網索+多向可伸縮異形棚聯(lián)合支護技術，通過相似模擬驗證支護方案的效果，并得到合理的區(qū)段保護煤柱寬度為7.5～12.5 m。010105 回風順槽留設10 m 區(qū)段煤柱，掘巷階段圍巖整體穩(wěn)定，無明顯的變形破壞。鄰近工作面采動影響后，頂板下沉量穩(wěn)定在208 mm，兩幫移近量穩(wěn)定在186 mm，巷道斷面整體變形量在合理可控范圍內，取得了良好應用效果。