軟煤厚硬基本頂沿空掘巷煤柱寬度優(yōu)化與控制技術(shù)

呂風(fēng)

（冀中能源股份有限公司 東龐礦，河北 邢臺(tái) 054201）

0 引 言

為實(shí)現(xiàn)煤炭資源的精采細(xì)采、減少資源浪費(fèi)，沿空掘巷技術(shù)被我國(guó)煤礦廣泛采用[1-2]。但是由于其側(cè)向頂板結(jié)構(gòu)和力學(xué)環(huán)境的特殊性，仍存在諸多限制與不足。其中，沿空掘巷合理煤柱寬度的選取及支護(hù)技術(shù)的深入研究，是該技術(shù)成功實(shí)施的難點(diǎn)與關(guān)鍵。

因此，針對(duì)上述難題，諸多學(xué)者對(duì)沿空掘巷窄煤柱及圍巖控制進(jìn)行了大量研究。謝廣祥[3]等建立了適用于綜放開采及煤層存在明顯傾角條件下的煤柱力學(xué)模型，理論計(jì)算了煤柱極限強(qiáng)度發(fā)生位置；馮吉成等[4]通過數(shù)值模擬分析探究了巷道側(cè)煤柱塑性區(qū)分布以及不同尺寸煤柱采掘影響下巷道圍巖變形規(guī)律；張科學(xué)[5-6]通過研究獲得了確定沿空掘巷窄煤柱寬度的方法；楊科等[7]就煤柱留設(shè)位置相對(duì)于工作面的方位以及煤柱寬度這兩個(gè)影響因素，對(duì)巷道穩(wěn)定性的影響進(jìn)行了探析；蔣威等[8]研究了厚硬基本頂綜放沿空巷道的覆巖應(yīng)力分布特征及受載變形機(jī)制。

專家學(xué)者針對(duì)沿空掘巷煤柱寬度優(yōu)化及支護(hù)技術(shù)開展了諸多有益研究，本文以上述研究為基礎(chǔ)，對(duì)東龐礦21221 工作面煤柱的合理寬度尺寸及軌道巷支護(hù)方案進(jìn)行了研究，并開展現(xiàn)場(chǎng)工業(yè)化試驗(yàn)。

1 概 況

東龐礦21221 工作面井下位置位于-480 水平第十二采區(qū)，其地面標(biāo)高為93.0—102 m，工作面標(biāo)高約為-450—-517 m。工作面西北到已回采完畢的21219 工作面，現(xiàn)沿21219 采空區(qū)下側(cè)留設(shè)窄煤柱，并沿2 號(hào)煤層頂板掘進(jìn)21221 軌道巷。2 號(hào)煤是主采煤層，煤層平均厚度和平均傾角分別為4.9 m 和4°，含1 層夾矸，夾矸厚度約為0.8 m，2 號(hào)頂?shù)装鍘r性及其柱狀圖如圖1 所示。

圖1 2 號(hào)煤層頂?shù)装鍘r性及其柱狀圖Fig.1 Roof and floor lithology of No.2 coal seam and its histogram

2 沿空掘巷煤柱寬度合理尺寸理論研究

2.1 基于“內(nèi)外應(yīng)力場(chǎng)”的沿空掘巷窄煤柱寬度分析

沿空掘巷窄煤柱應(yīng)布置在采空區(qū)煤體邊緣支承壓力減壓區(qū)內(nèi)，避開支承壓力高應(yīng)力區(qū)的影響，以減小巷道變形與提高巷道支護(hù)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。當(dāng)基本頂巖梁斷裂并穩(wěn)定后，支承壓力區(qū)分布將以斷裂線為界分為2 個(gè)部分[9]，即寬度為S1的“內(nèi)應(yīng)力場(chǎng)”和寬度為S2的“外應(yīng)力場(chǎng)”，其中“內(nèi)應(yīng)力場(chǎng)”由斷裂巖梁的自重所決定，“外應(yīng)力場(chǎng)”由整個(gè)上覆巖層的重量所決定。根據(jù)“內(nèi)外應(yīng)力場(chǎng)”理論，得到內(nèi)應(yīng)力場(chǎng)寬度表達(dá)式為：

式中：K0為頂板斷裂線附近已處于塑性狀態(tài)的煤體剛度，Pa；x0為煤壁煤體的平均壓縮量，m；q0為基本頂上覆載荷，MPa；γ 為基本頂巖層平均容重，kN/m3；d為基本頂厚度，m；l為工作面長(zhǎng)度，m；σt為基本頂抗拉強(qiáng)度，MPa。

要保證巷道及煤柱均處在減壓區(qū)域內(nèi)，須使得窄煤柱與沿空巷道的寬度相加所得到的結(jié)果小于等于S1，所以有：

將工作面相關(guān)參數(shù)代入得到“內(nèi)應(yīng)力場(chǎng)”寬度為12.6 m，由于巷道寬度為4.5 m；因此煤柱的寬度應(yīng)小于8.1 m。

2.2 基于塑性分區(qū)的窄煤柱寬度分析

煤柱受上工作面回采、沿空巷道掘進(jìn)影響，兩側(cè)將會(huì)存在一段破壞區(qū)，為了保護(hù)巷道和煤柱自身的穩(wěn)定性，護(hù)巷煤柱不能太窄，如圖2 所示。煤柱寬度的計(jì)算表達(dá)式為[10]：

圖2 窄煤柱彈塑性區(qū)寬度計(jì)算模型Fig.2 Elastic-plastic zone width calculation model of narrow coal pillar

式中：X1為受上工作面回采影響而產(chǎn)生的靠近采空區(qū)一側(cè)的煤柱破壞區(qū)寬度；X2為煤柱中間具有支撐能力的彈性核區(qū)的寬度，?。╔1+X3） 30%～50%；X3為沿空巷道掘進(jìn)后靠近巷道側(cè)煤柱破壞區(qū)的寬度。

區(qū)段煤柱左側(cè)塑性區(qū)寬度X1為：

式中：h為煤層賦存厚度，m；λ 為側(cè)壓系數(shù)；φ0為煤層內(nèi)摩擦角，（°）；k為應(yīng)力集中系數(shù)；γ 為巖層的平均容重，kN/m3；H為巷道埋深，m；C為煤層內(nèi)聚力，MPa；P0為巷道支護(hù)阻力，MPa。

區(qū)段煤柱右側(cè)塑性區(qū)寬度X3為：

式中：a為半圓形巷道半徑，m；η 為修正系數(shù)；k為應(yīng)力集中系數(shù)；γ 為巖層的平均容重，kN/m3；H為巷道埋度，m；C為煤層內(nèi)聚力，MPa；φ0為煤層內(nèi)摩擦角，（°）；P1為巷道受到的支護(hù)阻力，MPa。

根據(jù)東龐礦軟碎煤層的特定地質(zhì)條件，將工作面及巷道相關(guān)參數(shù)帶入公式可得，上區(qū)段工作面采空區(qū)側(cè)煤柱破壞區(qū)域?qū)挾萖1為2.1 m，巷道側(cè)煤柱破壞區(qū)域?qū)挾萖3為1.7 m，根據(jù)公式X2=（30%～50%） （X1+X3） 計(jì)算得出X2取值范圍為1.14~1.9 m。則得到護(hù)巷煤柱寬度至少應(yīng)大于4.94 m。

3 沿空掘巷窄煤柱合理寬度數(shù)值分析

3.1 模型建立與模擬方案

FLAC3D 三維建模的地層參數(shù)均以工作面的實(shí)際地質(zhì)條件為基準(zhǔn)，建立21221 工作面的FLAC3D數(shù)值計(jì)算模型，模型尺寸為：x×y×z= 200 m×300 m×90 m。模型采（掘） 順序?yàn)椋荷瞎ぷ髅妗?1221 軌道巷—21221 工作面。

3.2 應(yīng)力分布特征及轉(zhuǎn)移規(guī)律

當(dāng)煤柱寬度不同時(shí)，得到21221 工作面軌道巷掘進(jìn)期間圍巖垂直應(yīng)力分布云圖，如圖3 所示。

圖3 不同煤柱寬度下圍巖垂直應(yīng)力分布云圖Fig.3 Vertical stress distribution nephogram of surrounding rock under different coal pillar widths

（1） 巷道頂?shù)装鍑鷰r應(yīng)力狀態(tài)基本不隨煤柱寬度變化而變化，不同煤柱寬度的頂?shù)装鍛?yīng)力均處于大范圍低應(yīng)力狀態(tài)，且近似呈對(duì)稱分布。

（2） 不同煤柱寬度下的煤柱側(cè)和實(shí)體煤幫側(cè)深部均存在應(yīng)力集中現(xiàn)象，隨著煤柱寬度增加，煤柱側(cè)的應(yīng)力集中程度也會(huì)增加，而實(shí)體煤幫側(cè)應(yīng)力集中程度減弱。

（3） 煤柱寬度為3～5 m 時(shí)，應(yīng)力集中現(xiàn)象在實(shí)體煤幫側(cè)較明顯，煤柱內(nèi)受力較弱，導(dǎo)致巷道發(fā)生嚴(yán)重的內(nèi)擠變形；煤柱尺寸為7～9 m 時(shí)，煤柱受力增強(qiáng)，煤柱對(duì)頂板的支撐起到重要作用，可以保證巷道圍巖及煤柱的穩(wěn)定。

（4） 煤柱尺寸為11～13 m 時(shí)，應(yīng)力集中現(xiàn)象在煤柱側(cè)更明顯，應(yīng)力峰值逐漸增大，應(yīng)力峰值區(qū)范圍逐漸擴(kuò)大，而在實(shí)體煤幫側(cè)恰好相反，此時(shí)，煤柱內(nèi)的高應(yīng)力集中狀態(tài)不利于控制沿空巷道圍巖變形。

3.3 不同煤柱寬度塑性區(qū)分布特點(diǎn)

當(dāng)煤柱寬度不同時(shí)，得到21221 工作面軌道巷掘進(jìn)期間圍巖塑性區(qū)分布云圖，如圖4 所示。

圖4 不同煤柱寬度21221 軌道巷圍巖塑性區(qū)分布云圖Fig.4 surrounding rock plastic zone distribution nephogram of No.21221 track roadway under different coal pillar widths

（1） 不同煤柱寬度下的巷道圍巖均處于剪切塑性狀態(tài)，且圍巖處于塑性狀態(tài)的范圍會(huì)隨著煤柱寬度的增加而減小。

（2） 煤柱寬度為3～5 m 時(shí)，受上工作面開采和巷道掘進(jìn)影響，巷道圍巖及煤柱均發(fā)生范圍較廣的剪切塑性破壞，且煤柱幫及巷道頂板發(fā)生顯著內(nèi)擠變形。

（3） 煤柱尺寸為7～9 m 時(shí)，煤柱上方及巷道頂板塑性區(qū)明顯減小并出現(xiàn)彈性核區(qū)，在此情況下對(duì)巷道頂板施打錨桿索，錨索將能夠錨固在巖體的彈性區(qū)中，能較大程度地發(fā)揮錨固效果。

（4） 煤柱尺寸為11~13 m 時(shí)，煤柱內(nèi)塑性破壞巖體開始變?yōu)閺椥詭r體，煤柱內(nèi)會(huì)出現(xiàn)彈性核區(qū)，煤柱破壞程度明顯減少，但較寬煤柱尺寸將導(dǎo)致浪費(fèi)大量煤炭資源。

綜合上述分析可知，合理的煤柱寬度應(yīng)該在7～9 m，不僅能夠充分發(fā)揮錨桿索的支護(hù)效果和煤柱的承載作用，保障巷道的穩(wěn)定性，還能減少煤柱寬度，增加資源回收率。

3.4 窄煤柱合理寬度綜合確定

應(yīng)用內(nèi)外應(yīng)力場(chǎng)及極限平衡區(qū)理論，并結(jié)合煤柱塑性區(qū)分布特征及圍巖垂直應(yīng)力分布的特點(diǎn)，同時(shí)兼顧工程類比與經(jīng)濟(jì)效益，綜合確定煤柱的寬度為7 m。

4 軟煤厚硬基本頂沿空掘巷圍巖穩(wěn)定性控制技術(shù)

4.1 圍巖支護(hù)方案

依據(jù)以上理論分析及數(shù)值模擬研究結(jié)果分析，并結(jié)合礦方的實(shí)際地質(zhì)條件及現(xiàn)場(chǎng)工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，最終確定東龐礦2 號(hào)煤層21221 軌道巷采用“高強(qiáng)錨桿（索） 槽鋼桁架網(wǎng)”的聯(lián)合支護(hù)方案。

21221 軌道巷頂錨索采用φ21.8 mm×8 500 mm，用兩道槽鋼錨索順巷邁步交叉式布置，距巷中1 000 mm 各布置一道，間排距為2 000 mm×2 400 mm；頂錨桿使用φ22 mm×2 400 mm 高強(qiáng)度左旋無縱肋螺紋鋼錨桿，間排距為800 mm×800 mm；幫錨索使用順巷槽鋼錨索，規(guī)格為φ21.8 mm×6 500 mm，其間排距為1 200 mm×2 400 mm；幫錨桿使用規(guī)格為φ20 mm×2 400 mm 全螺紋鋼錨桿，其間排距800 mm×800 mm，槽鋼長(zhǎng)度均為3 000 mm。在巷道頂板及巷道兩幫鋪設(shè)規(guī)格為1 m×4 m菱形金屬網(wǎng)，金屬網(wǎng)平行巷道中心線鋪設(shè)，每間隔200 mm 用12 號(hào)鐵線擰緊。具體支護(hù)如圖5 所示。

圖5 21221 工作面軌道巷支護(hù)示意Fig.5 Support of No.21221 track roadway

4.2 礦壓監(jiān)測(cè)及結(jié)果分析

為了解沿空掘巷圍巖的礦壓顯現(xiàn)狀況及支護(hù)結(jié)構(gòu)的變形特征，在該工作面回采階段，布置測(cè)站監(jiān)測(cè)巷道圍巖表面的變形量，如圖6 所示。

圖6 巷道圍巖表面位移監(jiān)測(cè)曲線Fig.6 Surface displacement monitoring curve of roadway surrounding rock

受該工作面回采引起的超前支撐壓力作用，巷道表面變形量明顯增大，且隨著與工作面間距離的增加，巷道圍巖表面變形量逐漸減小，巷道圍巖的大部分變形形成于距工作面45 m 范圍內(nèi)。同時(shí)還可以看出，煤柱側(cè)、實(shí)體煤側(cè)、煤柱側(cè)頂板、實(shí)體煤側(cè)頂板4 個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)中變形量最大的為煤柱側(cè)292 mm、最小的為實(shí)體煤側(cè)頂板236 mm。綜上分析，巷道支護(hù)后圍巖變形量在可控范圍內(nèi)，巷道斷面滿足使用要求。

5 結(jié) 論

（1） 由理論分析計(jì)算得到內(nèi)應(yīng)力場(chǎng)寬度為12.6 m，受上工作面回采影響而產(chǎn)生的靠近采空區(qū)側(cè)的煤柱破壞區(qū)域?qū)挾葹?.1 m，受沿空巷道掘進(jìn)影響而產(chǎn)生的靠近巷道側(cè)的煤柱破壞區(qū)域?qū)挾葹?.7 m，理論計(jì)算出窄煤柱的合理寬度范圍為4.94~8.1 m。

（2） 數(shù)值分析計(jì)算得到合理的煤柱寬度應(yīng)該在7～9 m，該煤柱寬度范圍不僅能夠充分發(fā)揮錨桿索在頂板中的支護(hù)效果，維持巷道圍巖穩(wěn)定，還避免了留設(shè)更寬煤柱造成的煤炭資源浪費(fèi)。

（3） 采用7 m 窄煤柱寬度及“高強(qiáng)錨桿（索）槽鋼桁架網(wǎng)”聯(lián)合支護(hù)技術(shù)后，在該工作面回采期間，巷道圍巖變形量在可控范圍內(nèi)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)軟煤厚硬基本頂沿空掘巷圍巖的有效控制。