綜放沿空巷道窄煤柱穩(wěn)定性分析及圍巖控制技術(shù)研究

于嘉琦

（霍州煤電集團(tuán)有限責(zé)任公司辛置煤礦礦井生產(chǎn)技術(shù)科，山西 霍州 031400）

1 工程概況

西曲礦18501工作面位于位于南五盤區(qū)南部，工作面走向長(zhǎng)度1580m，傾斜長(zhǎng)度145m。北鄰已回采完的18502工作面，西鄰南983運(yùn)輸大巷，東鄰西983運(yùn)輸大巷。工作面主采8#煤，8#煤厚3.80～4.40m，平均4.20m，煤層整體傾向西南，傾角1°～9°，為近水平煤層。8#煤層結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，局部頂板為0.23m的炭質(zhì)泥巖偽頂，直接頂為2.40m的石灰?guī)r，直接底板為1.54m的細(xì)砂巖，老底為3.13m的粉砂巖。18501工作面采用一次采全高開(kāi)采，設(shè)計(jì)采高4.2m，工作面切眼的總長(zhǎng)度145m。18501工作面回風(fēng)順槽設(shè)計(jì)為矩形斷面，寬度4.5 m、高度3.5 m。為了減少區(qū)段煤柱損失，18501工作面回風(fēng)順槽采用沿空掘巷的方法進(jìn)行掘進(jìn)，采用錨、網(wǎng)、索聯(lián)合支護(hù)的基礎(chǔ)支護(hù)方案，如圖1所示。具體18501工作面位置示意圖如圖2所示。

圖1 回風(fēng)順槽基礎(chǔ)支護(hù)方案

圖2 18501工作面位置示意圖

2 窄煤柱寬度確定及穩(wěn)定性分析

2.1 數(shù)值模型的建立

根據(jù)西曲礦18501孤島工作面上覆巖層的物理力學(xué)參數(shù)，同時(shí)借鑒類似礦井經(jīng)驗(yàn)[1]，通過(guò)Flac3D軟件建立18501綜采工作面沿空掘巷模型研究窄煤柱內(nèi)應(yīng)力特征及位移分布規(guī)律。在數(shù)值模擬的過(guò)程中，首先開(kāi)采18502工作面，然后留設(shè)窄煤柱后開(kāi)挖18501工作面回風(fēng)順槽，煤柱尺寸從3m增加至12m，每個(gè)方案增加lm，最后對(duì)18501工作面進(jìn)行開(kāi)采。模擬順槽內(nèi)采用基礎(chǔ)支護(hù)方案進(jìn)行支護(hù)。將上覆巖層中的堅(jiān)硬承載層作為均布載荷施加在模型邊界會(huì)產(chǎn)生一定的誤差，為了消除這些誤差，可將覆巖中關(guān)鍵層的重力簡(jiǎn)化為5MPa均布載荷施加在模型上邊界，四周及底部邊界施加位移約束邊界條件，所建模型長(zhǎng)×寬×高=326m×300m×100m。

2.2 數(shù)值模擬分析

圖3 不同寬度煤柱內(nèi)垂直應(yīng)力分布規(guī)律

如圖3為不同寬度煤柱內(nèi)垂直應(yīng)力的分布規(guī)律。觀察圖3可發(fā)現(xiàn)，煤柱內(nèi)的垂直應(yīng)力從巷道一側(cè)到采空區(qū)一側(cè)先增大后減小，應(yīng)力峰值在煤柱中心偏向巷道一側(cè)。隨著煤柱尺寸的不斷增加，煤柱內(nèi)垂直應(yīng)力峰值也不斷增加。3m和4m煤柱內(nèi)的垂直應(yīng)力峰值均小于原巖應(yīng)力，這是由于煤柱過(guò)窄，不具備承載覆巖載荷的能力所致；當(dāng)煤柱寬度從5m增加至9m時(shí)，煤柱內(nèi)的垂直應(yīng)力峰值也不斷增加，且增幅明顯，這說(shuō)明煤柱寬度的增加提高了煤柱的承載能力；當(dāng)煤柱寬度從9m增加至12m時(shí)，煤柱內(nèi)垂直應(yīng)力峰值增幅很小，從經(jīng)濟(jì)角度考慮，9m寬的煤柱能夠滿足承載覆巖載荷的需求。

圖4 不同寬度煤柱沿空巷道圍巖變形情況

當(dāng)煤柱寬度從3m增加至12m時(shí)，平均巷道頂板下沉量約為380mm，沿空巷道底鼓量波動(dòng)很小，對(duì)巷道整體變形影響較小。隨著煤柱寬度從3m增加至8m，沿空巷道兩幫移近量逐漸減小，這是由于煤柱寬度在3～8m時(shí)，沿空巷道位于低應(yīng)力區(qū)，但是由于保護(hù)煤柱中存在破碎區(qū)及塑性區(qū)致使煤柱的承載能力降低，煤柱變形量較大，但隨著保護(hù)煤柱寬度的增加，煤柱的承載能力不斷上升，所以煤柱的變形量逐漸減小；隨著煤柱寬度從9m增加至12m，沿空巷道兩幫移近量逐漸增加。這是由于煤柱寬度為9～12m時(shí)，煤柱的承載能力增高，煤柱內(nèi)部的破碎區(qū)及塑性區(qū)對(duì)煤柱的變形影響減小，隨應(yīng)力升高煤柱側(cè)巷幫向巷道內(nèi)移近量變大。由于煤柱內(nèi)破碎區(qū)及塑性區(qū)的影響，煤柱側(cè)巷幫移近量變化較為明顯，變形量約為300mm～500mm，所以沿空巷道支護(hù)的重點(diǎn)在于控制沿空巷道兩幫的變形。從沿空巷道圍巖變形量的角度考慮，該工作面煤柱的留設(shè)寬度為8～10m。

窄煤柱中性面的寬度表征了煤柱內(nèi)小位移區(qū)域的寬度和煤柱承載特性，如圖5所示為不同寬度煤柱內(nèi)中性面寬度占比圖。

圖5 不同寬度煤柱內(nèi)中性面寬度占比

觀察圖5發(fā)現(xiàn)，隨著煤柱寬度的不斷增加，中性面寬度所占比例也不斷增加，表明煤柱的承載能力不斷升高。煤柱寬度為3～7m時(shí)，煤柱內(nèi)中性面寬度占比基本不變，這是由于煤柱完全破碎，喪失承載能力，致使窄煤柱塑性變形嚴(yán)重；煤柱寬度為8～11m時(shí)，煤柱內(nèi)中性面寬度占比顯著增大，煤柱內(nèi)出現(xiàn)穩(wěn)定的塑性極限承載區(qū)域，且中性面寬度受煤柱寬度影響大，在該范圍內(nèi)煤柱寬度的增加可以明顯提高中性面的寬度，改善煤柱的變形情況和應(yīng)力集中狀態(tài)。煤柱寬度從12m繼續(xù)增加，煤柱內(nèi)中性面寬度占比有一定程度的增加，但趨增速快緩且趨于穩(wěn)定，即煤柱寬度的增加不會(huì)對(duì)中性面寬度的占比產(chǎn)生大的影響。從中性面寬度占比角度出發(fā)，該工作面留設(shè)10m煤柱為最佳。

綜上所述西曲礦18501工作面沿空掘巷窄煤柱留設(shè)10m為最佳，回風(fēng)順槽實(shí)體煤側(cè)巷幫移近量約180mm，煤柱側(cè)巷幫移近量約350mm，頂板下沉量約230mm，底板鼓起量約190mm，回風(fēng)順槽表面位移量較大，兩幫移近量較大，對(duì)回采工作面的通風(fēng)和安全生產(chǎn)帶來(lái)一定困難，所以需要對(duì)回風(fēng)順槽進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)。

3 圍巖控制技術(shù)

3.1 原基礎(chǔ)支護(hù)存在的問(wèn)題

順槽基礎(chǔ)支護(hù)中錨桿的長(zhǎng)度和強(qiáng)度不夠，難以形成整體的支護(hù)系統(tǒng)；施工過(guò)程中存在支護(hù)滯后及錨桿錨索的預(yù)應(yīng)力施加不達(dá)標(biāo)的現(xiàn)象發(fā)生，不能形成有效的主動(dòng)支護(hù)，會(huì)導(dǎo)致巷道斷面失穩(wěn)；巷道底板及底角未采取有效的控制措施，致使巷道兩幫變形嚴(yán)重及底鼓現(xiàn)象的發(fā)生。

3.2 支護(hù)優(yōu)化設(shè)計(jì)[2-3]

根據(jù)18501工作面的具體地質(zhì)情況，為保證工作面回采期間巷道正常安全的使用，可采取下列加強(qiáng)支護(hù)的措施：

1）施加足夠的預(yù)緊力。在沿空巷道掘進(jìn)后及時(shí)進(jìn)行支護(hù)，并且確保頂板及兩幫錨桿預(yù)緊力不低于為80kN、60kN，錨索預(yù)緊力為130 kN。

2）加打巷幫底角錨桿。由于18501工作面回風(fēng)順槽及護(hù)巷煤柱受工作面回采擾動(dòng)較大，巷道兩幫發(fā)生嚴(yán)重變形，且底鼓現(xiàn)象嚴(yán)重，需要將幫部錨桿由原本的 Ф18×1800mm的圓鋼錨桿調(diào)整為 Ф22×2200mm的螺紋鋼錨桿，同時(shí)需要加打同規(guī)格底角錨桿，以防止巷幫變形嚴(yán)重及底鼓嚴(yán)重影響正常生產(chǎn)。

3）加打頂板錨索并添加樹(shù)脂錨固劑[4]。在巷道頂板每1.8m處增加一排Ф17.8×8000mm，預(yù)緊力100～150kN的錨索。使巷道頂板的錨索布置形式為排拒0.9m，每排2跟。頂板錨桿采用每孔ck23/36、k23/60兩卷樹(shù)脂錨固劑，兩幫錨桿每孔一卷k23/60樹(shù)脂錨固劑；頂板錨索采用每孔ck23/36、k23/60、k23/60三卷樹(shù)脂錨固劑。補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)如圖6所示。

圖6 回風(fēng)順槽補(bǔ)強(qiáng)方案圖

4）巷幫擴(kuò)刷。實(shí)體煤幫擴(kuò)刷技術(shù)是刷去邊緣破裂呈塑性狀態(tài)的煤體，這一部分煤體的持續(xù)變形量大，承載力低，然后對(duì)力學(xué)性能較好的煤體進(jìn)行支護(hù)，使實(shí)體煤幫的變形得到控制，從而維護(hù)巷道圍巖穩(wěn)定性。具體實(shí)施方案：拆除實(shí)體煤側(cè)巷道原有支護(hù)，然后向?qū)嶓w煤側(cè)擴(kuò)刷1m的寬度，在新的巷幫上用錨桿鉆機(jī)進(jìn)行頂?shù)捉羌皫筒康腻^索布設(shè)。新懸露的頂板距幫400mm處向頂帶30°角度施工一根限位錨索，錨索規(guī)格為Ф17.8×8000mm，預(yù)緊力100～150KN，采用每孔ck23/36、k23/60、k23/60三卷樹(shù)脂錨固劑進(jìn)行錨固。巷幫擴(kuò)刷支護(hù)示意圖如圖7所示。

圖7 實(shí)體煤幫擴(kuò)刷支護(hù)示意圖

3.3 回風(fēng)順槽圍巖控制效果

在工作面回采期間，通過(guò)在巷道里布置的測(cè)站內(nèi)使用“十字測(cè)量法”測(cè)量補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)后的巷道表面位移量，所得數(shù)據(jù)如圖8所示。

圖8 巷道表面位移

由圖5可知，工作面從距測(cè)站100m處推進(jìn)至距測(cè)站80m處時(shí)，巷道表面并沒(méi)有發(fā)生位移變化；當(dāng)工作面從距測(cè)站80m處開(kāi)始推進(jìn)時(shí)，對(duì)巷道表面位移產(chǎn)生較小影響，直至推進(jìn)至距測(cè)站60m時(shí)巷道表面位移量隨著工作面的推進(jìn)不斷增加，但仍未發(fā)生較大改變；當(dāng)工作面從距測(cè)站40m推進(jìn)至距測(cè)站10m的過(guò)程中，巷道表面位移量突然增大，頂?shù)装逡平吭黾又?20mm，兩幫移近量增加至210mm。相比于未補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)前的巷道表面移近量分別減少了約24%和61%。工作面回采過(guò)程中巷道表面位移量均在允許范圍內(nèi)，巷道支護(hù)情況良好，能夠保證回采期間巷道正常安全的使用，所以該巷道的支護(hù)優(yōu)化措施設(shè)計(jì)合理。

4 結(jié) 論

1）通過(guò)Flac3D軟件建立18501綜采工作面沿空掘巷模型研究窄煤柱內(nèi)應(yīng)力特征及位移分布規(guī)律，發(fā)現(xiàn)西曲礦18501工作面回風(fēng)順槽沿空掘巷10m窄煤柱留設(shè)合理，但回風(fēng)順槽圍巖表面位移量較大，兩幫移近量較大，對(duì)回采工作面的通風(fēng)和安全生產(chǎn)帶來(lái)一定困難，所以需要對(duì)回風(fēng)順槽進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)。

2）通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)發(fā)現(xiàn)在采取加打頂板錨索、巷幫錨桿并添加樹(shù)脂錨固劑的巷道補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)措施及實(shí)體煤側(cè)巷幫擴(kuò)刷等圍巖控制措施后，沿空巷道兩幫及頂板的變形量較之前分別減少了24%和61%，巷道表面位移量控制在允許范圍內(nèi)，因此18501工作面的回采巷道支護(hù)優(yōu)化措施合理，能夠保證10m窄煤柱護(hù)巷條件下巷道在回采期間正常安全的使用。