三軟煤層沿空掘巷支護(hù)的設(shè)計(jì)

宋李輝

（山西離柳焦煤集團(tuán)有限公司兌鎮(zhèn)煤礦， 山西 呂梁 032300）

引言

隨著開采年限的延長和開采強(qiáng)度的加大，許多礦區(qū)賦存條件好、煤質(zhì)優(yōu)良的煤炭資源日益減少，實(shí)現(xiàn)優(yōu)質(zhì)煤炭資源的精細(xì)化開采已經(jīng)成為許多礦井面臨的共同技術(shù)難題。留設(shè)小煤柱沿空掘巷作為當(dāng)前我國無煤柱護(hù)巷的主要形式，是提高資源回收率和經(jīng)濟(jì)效益的有效措施，該技術(shù)的關(guān)鍵在于護(hù)巷煤柱合理寬度的確定和巷內(nèi)支護(hù)設(shè)計(jì)。本文基于鳳凰臺煤業(yè)公司2303工作面三軟煤層開采的現(xiàn)場生產(chǎn)條件，采用理論計(jì)算、數(shù)值模擬和力學(xué)分析等方法，成功實(shí)現(xiàn)了沿空掘巷，達(dá)到了安全高效開采的目的[1]。

1 試驗(yàn)區(qū)情況

鳳凰臺煤業(yè)公司主采煤層為三層，其中2號煤發(fā)熱量最高，煤質(zhì)最好。2號煤僅部分采區(qū)可采，資源儲(chǔ)量較少。回采過程中，2號煤工作面的區(qū)段煤柱尺寸為10 m，為提高2號煤的采出率，擬在2303工作面進(jìn)行沿空掘巷試驗(yàn)。該工作面位于九采區(qū)南部，埋深為400～500 m，設(shè)計(jì)走向長度935 m，傾斜長度145 m。工作面運(yùn)輸巷及運(yùn)料巷均為梯形，巷道規(guī)格為4.2 m×2.6 m（寬×高），斷面面積為10.92 m2。

根據(jù)2303工作面頂?shù)装鍘r性所知，2號煤的普氏系數(shù)為0.15，屬于極軟煤層，且頂板炭質(zhì)泥巖，抗壓強(qiáng)度為18.3 MPa，底板的抗壓強(qiáng)度為3.7 MPa，為典型的“三軟”煤層。

2 護(hù)巷煤柱寬度的確定

根據(jù)窄煤柱設(shè)計(jì)原則，采用極限平衡理論和彈塑性理論計(jì)算合理的最小護(hù)巷煤柱寬度為4.72～5.34 m。根據(jù)理論計(jì)算的結(jié)果，初步將護(hù)巷煤柱的寬度定為5 m，以5 m為中心，以0.5 m為梯度，采用FLAC3D對3～8 m護(hù)巷煤柱下巷道圍巖的垂直應(yīng)力、水平應(yīng)力和位移分布狀況進(jìn)行模擬分析。煤柱寬度不同時(shí)，巷道開挖引起的圍巖變形規(guī)律如圖1所示。

圖1 不同煤柱寬度時(shí)的圍巖變形量

從圖1數(shù)據(jù)可知，該沿空掘巷圍巖變形量隨著煤柱寬度的增加呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢。當(dāng)煤柱寬度5 m時(shí)，兩幫移近量為359 mm，頂?shù)装逡平繛?92 mm，圍巖變形量最小。不同煤柱寬度時(shí)的應(yīng)力分布也呈現(xiàn)類似的規(guī)律，煤柱寬度為5 m時(shí)巷道圍巖垂直應(yīng)力、水平應(yīng)力分布均相對較優(yōu)。綜合以上理論計(jì)算和數(shù)值模擬研究結(jié)果，確定2303運(yùn)料巷護(hù)巷窄煤柱的合理寬度為5 m[2-3]。

3 護(hù)巷煤柱穩(wěn)定性的分析

沿空掘進(jìn)的巷道與上工作面采空區(qū)距離較近，采空區(qū)側(cè)向頂板的斷裂旋轉(zhuǎn)下沉是造成護(hù)巷煤柱失穩(wěn)的主要因素。載荷通過巷道圍巖傳遞，最終由頂板、兩幫和支護(hù)體共同承擔(dān)，形成“頂板-兩幫-支護(hù)體”聯(lián)合承載結(jié)構(gòu)，如下頁圖2所示。該聯(lián)合承載結(jié)構(gòu)的跨度為巷道的寬度L，厚度為巷道表面的非均勻壓縮帶和壓縮帶之和b。

聯(lián)合承載結(jié)構(gòu)能有效組織巷道圍巖塑性區(qū)的寬度，減小巷道圍巖的變形，對巷道穩(wěn)定性具有重要作用。聯(lián)合承載結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度主要與圍巖的性質(zhì)（內(nèi)聚力和內(nèi)摩擦角）、巷道的規(guī)格（巷道的寬度）及錨桿的性質(zhì)（強(qiáng)度、直徑等）有關(guān)。

1）該結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度與巷道圍巖的內(nèi)聚力和內(nèi)摩擦角成線性正比例關(guān)系，內(nèi)聚力和內(nèi)摩擦角的增大可提高該結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。

2）該結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性與巷道的寬度成反比例關(guān)系，巷道寬度越小越有利于其穩(wěn)定。

3）結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度與錨桿的屈服強(qiáng)度成線性正比例關(guān)系，因此在巷道支護(hù)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)優(yōu)先選取高強(qiáng)或超高強(qiáng)度螺紋鋼桿體[4]。

4）結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度與錨桿直徑的平方成次正比例關(guān)系，隨著錨桿直徑的增大，該結(jié)構(gòu)強(qiáng)度增強(qiáng)，巷道穩(wěn)定性增高。

圖2 矩形巷道聯(lián)合承載結(jié)構(gòu)示意圖

4 支護(hù)參數(shù)的設(shè)計(jì)及現(xiàn)場應(yīng)用

4.1 支護(hù)參數(shù)

在數(shù)值模擬的基礎(chǔ)上，結(jié)合理論計(jì)算及實(shí)際的生產(chǎn)條件，確定2303運(yùn)料巷沿空掘巷的支護(hù)方案如圖3所示。

圖3 2303運(yùn)料巷支護(hù)方案（單位：mm）

為了提高聯(lián)合承載結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度，保證巷道的穩(wěn)定，巷道頂板和兩幫均采用Φ22 mm×2 400 mm左旋螺紋鋼強(qiáng)力錨桿配卷S2360與一卷Z2360樹脂藥卷全長錨固，頂錨桿間排距為750 mm×700 mm，幫錨桿間排距為700 mm×700 mm。其他組合構(gòu)件為120 mm×120 mm×12 mm（長×寬×厚）的蝶形托盤、Φ16 mm鋼筋梯子梁及14號鐵絲編織而成的2.5 m×1.0 m（長×寬）的菱形金屬網(wǎng)。

巷道頂板打雙排邁步錨索，錨索規(guī)格為Φ15.24mm×9 000 mm鋼絞線配三卷Z2360樹脂藥卷錨固，其他構(gòu)件為120 mm×150 mm×16 mm（長×寬×厚）的鋼板托盤、14號槽鋼及鋼筋梯子梁以及14號鐵絲編織而成的4.5 m×1.0 m（長×寬）的菱形金屬網(wǎng)，錨索間排距1.4 m×2.5 m在斷層等地質(zhì)條件異常地段或煤層變薄帶，必須對巷道進(jìn)行加強(qiáng)支護(hù)，加強(qiáng)支護(hù)的方式視巷道情況采用以下一種或幾種方式：增加錨桿的布置密度；補(bǔ)設(shè)金屬支架加強(qiáng)（組合）支護(hù)；注漿加固圍巖[5]。

4.2 礦壓觀測

為了驗(yàn)證窄煤柱護(hù)巷試驗(yàn)的結(jié)果，巷道掘進(jìn)過程中2303運(yùn)料巷共設(shè)置了五個(gè)測站，每個(gè)測站布設(shè)兩個(gè)巷道表面位移觀測面，一個(gè)深基點(diǎn)位移計(jì)觀測面。通過位于巷道中部的三號測站的礦壓觀測數(shù)據(jù)可知，巷道的掘進(jìn)影響期為9 d。在此期間，巷道急劇變形，兩幫及頂?shù)鬃冃瘟糠謩e為176 mm、146 mm；巷道變形速率表現(xiàn)出先增大后減小的趨勢，兩幫變形速率在第2天達(dá)到最大值30 mm/d，頂?shù)鬃冃嗡俾试诰蜻M(jìn)后的第3天達(dá)到最大值32 mm/d。然后巷道進(jìn)入穩(wěn)定階段，兩幫及頂?shù)鬃冃嗡俾手饾u降至0。巷道開掘110 d內(nèi)的兩幫變形量為382 mm，頂?shù)鬃冃瘟繛?02 mm，頂板的總下沉量為78 mm。頂板深部0～6 m范圍內(nèi)，多點(diǎn)位移計(jì)各測點(diǎn)的絕對變形量均為78 mm，從而可知頂板6 m范圍內(nèi)各層巖體之間沒出現(xiàn)離層，頂板屬于整體下沉。

5 結(jié)論

1）通過理論計(jì)算和數(shù)值模擬分析確定2303工作面三軟煤層護(hù)巷窄煤柱的合理寬度為5 m。

2）由“頂板—兩幫—支護(hù)體”組成的聯(lián)合承載結(jié)構(gòu)決定著巷道的穩(wěn)定，通過建立矩形巷道聯(lián)合承載結(jié)構(gòu)的力學(xué)模型，指出該結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性與圍巖的性質(zhì)、巷道的規(guī)格及錨桿的性質(zhì)有關(guān)，結(jié)合數(shù)值模擬比較，確定了2303運(yùn)料巷窄煤柱護(hù)巷的支護(hù)參數(shù)。

3）2303運(yùn)料巷的礦壓觀測表明，5 m護(hù)巷煤柱下，基于聯(lián)合承載結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的支護(hù)方案巷道變形量小，能夠滿足生產(chǎn)的需求，為三軟煤層沿空掘巷設(shè)計(jì)提供了參考。