突出礦井中二次動(dòng)壓巷道煤柱留設(shè)合理寬度及支護(hù)技術(shù)研究

閆彥光

(山西煤炭進(jìn)出口集團(tuán)有限公司宏遠(yuǎn)煤礦，山西 晉中 032600)

1 礦井概況

宏遠(yuǎn)礦作為煤與瓦斯突出礦井，所采15號(hào)煤層為不易自燃煤層，煤塵具有爆炸危險(xiǎn)性。礦井15號(hào)煤層穩(wěn)定，厚度較大(2.08 m～5.46 m，平均4.28 m)，結(jié)構(gòu)簡單，為本區(qū)主要可采煤層，但隨著開采深度的增加，礦井內(nèi)煤層瓦斯含量越來越高，瓦斯涌出量也隨之增高，在采煤工作面的布置中，順槽巷道在掘進(jìn)過程中受到瓦斯的嚴(yán)重影響，很大程度上制約著礦井的采掘銜接平衡，所以，選擇合理的煤柱寬度，將沿空掘巷布置在受礦山壓力范圍最小，同時(shí)又能由礦山壓力的作用使瓦斯得到充分釋放顯得尤為重要[1-2]。

原礦井設(shè)計(jì)中工作面區(qū)段保護(hù)煤柱寬度為20 m，不但造成煤炭資源的極大浪費(fèi)，采區(qū)回采率降低，而且在采空區(qū)相鄰綜采工作面布置順槽巷道時(shí)，由于采空區(qū)殘余支承壓力，本工作面超前和側(cè)向支承壓力作用相互疊加，巷道圍巖應(yīng)力急劇增高，引起圍巖應(yīng)力又一次重新分布，塑性區(qū)進(jìn)一步擴(kuò)大，應(yīng)力的反復(fù)擾動(dòng)使圍巖比僅受一次采動(dòng)影響而變形更加激烈，造成該掘進(jìn)巷道頂板壓力較大，支護(hù)困難，后期巷道變形嚴(yán)重，給本工作面回采順槽巷道帶來維護(hù)工作量大、費(fèi)用高的難題，更給礦井安全高效帶來安全隱患。結(jié)合150203綜采工作面地質(zhì)條件，通過理論和實(shí)踐手段分析沿空掘巷巷道隨著工作面的不斷向前推進(jìn)，工作面形成的超前和側(cè)向支承壓力的分布規(guī)律對(duì)煤柱內(nèi)煤體變形破壞的影響范圍，從而需要對(duì)沿空掘巷護(hù)巷煤柱的合理寬度進(jìn)行分析研究[3-4]。

2 煤柱寬度理論計(jì)算

根據(jù)沿空掘巷護(hù)巷煤柱保持穩(wěn)定的力學(xué)條件分析可知，當(dāng)煤柱隨綜采工作面推進(jìn)頂板受到不斷擠壓時(shí)，煤柱兩側(cè)會(huì)產(chǎn)生一定程度的塑性變形，而煤柱中間會(huì)形成一定范圍的彈性核區(qū)。巷道保護(hù)煤柱的水平寬度計(jì)算見式(1)。

(1)

式中：S1為巷道保護(hù)煤柱的水平寬度，m；H為巷道的最大垂深，m；M為煤層厚度，m；f為煤的強(qiáng)度系數(shù)。

經(jīng)計(jì)算，工作面巷道煤柱取22 m。

3 煤柱寬度實(shí)踐結(jié)論

在實(shí)際沿空掘巷過程中，當(dāng)煤柱取22 m時(shí)，巷道處于相鄰采空區(qū)殘余支承壓力和本綜采工作面支承壓力相互疊加的峰值范圍內(nèi)，礦山壓力較大，煤柱受到的變形破壞嚴(yán)重，原永久支護(hù)中錨索和錨桿一定程度上出現(xiàn)拉斷、托盤嚴(yán)重變形的情況，導(dǎo)致后期巷道變形比較嚴(yán)重，維護(hù)成本較高，同時(shí)回采工作面的原巖應(yīng)力重新分布作用達(dá)不到掘進(jìn)巷道煤柱煤體或是作用范圍較小，對(duì)煤柱煤體起不到有效的裂隙變形作用，特別是對(duì)宏遠(yuǎn)煤業(yè)低透氣性高瓦斯煤層群瓦斯中附著狀態(tài)的瓦斯不能有效地進(jìn)行解析，瓦斯?fàn)顟B(tài)的游離轉(zhuǎn)化效果不好，不利于煤體中瓦斯的擾動(dòng)釋放，導(dǎo)致掘進(jìn)巷道時(shí)受到瓦斯的嚴(yán)重制約，不但嚴(yán)重影響煤巷掘進(jìn)速度，也是礦井安全生產(chǎn)的主要隱患，所以理論計(jì)算受到巷道直接頂、基本頂厚度、上覆巖層變化和礦山壓力等影響，理論計(jì)算值與實(shí)際存在較大出入，為此將沿空掘巷煤柱分別設(shè)置為15 m、10 m、7 m、5 m，并加強(qiáng)7 m和5 m小煤柱時(shí)沿空掘巷的頂幫支護(hù)，最大程度上保持巷道圍巖穩(wěn)定，最后通過巷道頂板錨索測(cè)力計(jì)、頂?shù)装逦灰屏亢蛢蓭妥冃瘟康膶?shí)際觀察數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)踐驗(yàn)證，得出了煤柱不同區(qū)域的具體數(shù)值,確定了合理的煤柱留設(shè)寬度為7 m。

1) 煤柱寬度為7 m和5 m時(shí)，150203回風(fēng)順槽沿空掘巷巷道支護(hù)設(shè)計(jì)。

頂部：打設(shè)6根Ф20 mm×2 400 mm左旋無縱筋螺紋鋼錨桿，間排距距800 mm×800 mm，中間打設(shè)2根Ф17.8 mm×11 300 mm錨索，間排距1 000 mm×800 mm。

幫部：采煤幫打設(shè)4根Ф18 mm×2 400 mm左旋無縱筋螺紋鋼錨桿，間排距800 mm×800 mm；煤柱幫交叉打設(shè)2根Ф17.8 mm×4 000 mm錨索+2根Φ20 mm×2 400 mm左旋無縱筋螺紋鋼錨桿，間排距800 mm×800 mm。

菱形網(wǎng)：采用Φ3.4 mm鍍鋅鐵絲編制，網(wǎng)格為50 mm×50 mm，網(wǎng)片搭接100 mm。采用“三花”式綁扎，間距100 mm。

鋼帶：頂板使用Φ16 mm×4.2 m長的六孔鋼筋梯子梁，兩幫使用Φ12 mm×2.6 m四孔鋼筋梯子梁。

托盤：錨桿托盤使用200 mm(長)×200 mm(寬)×10 mm(厚)的鋼托盤，錨索托盤用L=350 mm槽鋼+150 mm(長)×100 mm(寬)×12 mm(厚)鋼板 + 鎖具。

錨固劑：頂板錨桿每孔使用一支ck2360樹脂錨固劑，幫錨桿每孔使用一支k2360樹脂錨固劑，11 300 mm錨索每孔采用一支ck2360和兩支 k2360樹脂錨固劑，4 000 mm錨索每孔采用一支ck2360和一支 k2360樹脂錨固劑。

150203回風(fēng)順槽沿空掘巷巷道支護(hù)設(shè)計(jì)圖如圖1。

圖1 150203回風(fēng)順槽沿空掘巷巷道支護(hù)斷面圖(mm)

2) 當(dāng)煤柱寬度為15 m、10 m、7 m和5 m時(shí)，150203回風(fēng)順槽沿空掘巷巷道分別通過頂板錨索測(cè)力計(jì)、頂?shù)装逦灰屏繉?shí)際監(jiān)測(cè)巷道變形量數(shù)據(jù)曲線(見第90頁圖2～圖4及第91頁圖5)。

a) 從沿空掘進(jìn)巷道實(shí)踐數(shù)據(jù)可以得出，當(dāng)留設(shè)煤柱為15 m時(shí)，頂板位移量最大達(dá)到192 mm，頂板錨索受壓最大達(dá)到43 MPa，巷道處 于相鄰采空區(qū)殘余支承壓力和采煤工作面支承壓力峰值范圍，引起巷道煤幫和支護(hù)體受到的礦山壓力較大，頂?shù)装逦灰屏枯^大，巷道圍巖表現(xiàn)出激烈變形，永久支護(hù)受到很大程度的破壞，穩(wěn)定性較差；

b) 當(dāng)留設(shè)煤柱為10 m時(shí)，頂?shù)装逦灰屏孔畲筮_(dá)到183 mm，頂板錨索受壓最大達(dá)到36 MPa；巷道受到相鄰采空區(qū)殘余支承壓力和采煤工作面支承壓力影響較大，巷道局部變形嚴(yán)重，永久支護(hù)中部分錨索受到破壞性作用。

圖2 15 m煤柱時(shí)頂?shù)装逦灰谱兓板^索測(cè)力計(jì)情況

圖3 10 m煤柱時(shí)頂?shù)装逦灰谱兓板^索測(cè)力計(jì)情況

圖4 7 m煤柱時(shí)頂?shù)装逦灰谱兓板^索測(cè)力計(jì)情況

c) 當(dāng)留設(shè)煤柱為7 m時(shí)，頂?shù)装逦灰屏孔畲髢H為120 mm，頂板錨索受壓最大為23 MPa，巷道受到相鄰采空區(qū)殘余支承壓力和采煤工作面支承壓力影響最小，頂?shù)装逦灰屏枯^小，巷道基本不變形，整體穩(wěn)定性較好；

d) 當(dāng)留設(shè)煤柱為5 m時(shí)，頂?shù)装逦灰屏孔畲筮_(dá)到265 mm，頂板錨索受壓最大達(dá)到51 MPa，巷道受到的相鄰采空區(qū)殘余支承壓力和采煤工作面支承壓力最大，永久支護(hù)中部分錨索錨桿支護(hù)強(qiáng)度已超設(shè)計(jì)值，基本失去支護(hù)效果，同時(shí)頂?shù)装逦灰戚^大，巷道變形嚴(yán)重。

圖5 5 m煤柱式頂?shù)装逦灰谱兓板^索測(cè)力計(jì)情況

4 結(jié)語

由上述結(jié)論得出，當(dāng)煤柱為7 m時(shí)，沿空掘巷處于相鄰采空區(qū)殘余支承壓力和采煤工作面支承壓力的較低值區(qū)間，巷道穩(wěn)定性好，基本不變形，而此時(shí)礦壓對(duì)煤體的作用，恰好使得巷道周邊向煤體擴(kuò)展形成一定范圍的塑形變形區(qū)，能夠很好地把附著狀態(tài)的瓦斯轉(zhuǎn)變?yōu)橛坞x狀態(tài)，使瓦斯更好的解析、釋放，所以在煤巷實(shí)際掘進(jìn)過程中幾乎不受瓦斯的影響和制約，煤巷單進(jìn)水平由原來的60 m/月大幅提高到200 m/月，大大加快了掘進(jìn)速度，縮短了工作面布置形成時(shí)間，也降低了瓦斯對(duì)安全生產(chǎn)的極大隱患，對(duì)煤與瓦斯突出礦井本就緊張的采掘銜接平衡起到了至關(guān)重要的作用，另外，也進(jìn)一步提高了礦井原煤的回收率，減少了資源浪費(fèi)，達(dá)到多贏的良好效果和作用。