三軟煤層沿空掘巷支護的設計

宋李輝

（山西離柳焦煤集團有限公司兌鎮煤礦， 山西 呂梁 032300）

引言

隨著開采年限的延長和開采強度的加大，許多礦區賦存條件好、煤質優良的煤炭資源日益減少，實現優質煤炭資源的精細化開采已經成為許多礦井面臨的共同技術難題。留設小煤柱沿空掘巷作為當前我國無煤柱護巷的主要形式，是提高資源回收率和經濟效益的有效措施，該技術的關鍵在于護巷煤柱合理寬度的確定和巷內支護設計。本文基于鳳凰臺煤業公司2303工作面三軟煤層開采的現場生產條件，采用理論計算、數值模擬和力學分析等方法，成功實現了沿空掘巷，達到了安全高效開采的目的[1]。

1 試驗區情況

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

根據2303工作面頂底板巖性所知，2號煤的普氏系數為0.15，屬于極軟煤層，且頂板炭質泥巖，抗壓強度為18.3 MPa，底板的抗壓強度為3.7 MPa，為典型的“三軟”煤層。

2 護巷煤柱寬度的確定

根據窄煤柱設計原則，采用極限平衡理論和彈塑性理論計算合理的最小護巷煤柱寬度為4.72～5.34 m。根據理論計算的結果，初步將護巷煤柱的寬度定為5 m，以5 m為中心，以0.5 m為梯度，采用FLAC3D對3～8 m護巷煤柱下巷道圍巖的垂直應力、水平應力和位移分布狀況進行模擬分析。煤柱寬度不同時，巷道開挖引起的圍巖變形規律如圖1所示。

圖1 不同煤柱寬度時的圍巖變形量

從圖1數據可知，該沿空掘巷圍巖變形量隨著煤柱寬度的增加呈現先減小后增大的趨勢。當煤柱寬度5 m時，兩幫移近量為359 mm，頂底板移近量為492 mm，圍巖變形量最小。不同煤柱寬度時的應力分布也呈現類似的規律，煤柱寬度為5 m時巷道圍巖垂直應力、水平應力分布均相對較優。綜合以上理論計算和數值模擬研究結果，確定2303運料巷護巷窄煤柱的合理寬度為5 m[2-3]。

3 護巷煤柱穩定性的分析

沿空掘進的巷道與上工作面采空區距離較近，采空區側向頂板的斷裂旋轉下沉是造成護巷煤柱失穩的主要因素。載荷通過巷道圍巖傳遞，最終由頂板、兩幫和支護體共同承擔，形成“頂板-兩幫-支護體”聯合承載結構，如下頁圖2所示。該聯合承載結構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。

聯合承載結構能有效組織巷道圍巖塑性區的寬度，減小巷道圍巖的變形，對巷道穩定性具有重要作用。聯合承載結構的強度主要與圍巖的性質（內聚力和內摩擦角）、巷道的規格（巷道的寬度）及錨桿的性質（強度、直徑等）有關。

1）該結構的強度與巷道圍巖的內聚力和內摩擦角成線性正比例關系，內聚力和內摩擦角的增大可提高該結構的穩定性。

2）該結構的穩定性與巷道的寬度成反比例關系，巷道寬度越小越有利于其穩定。

3）結構的強度與錨桿的屈服強度成線性正比例關系，因此在巷道支護設計時應優先選取高強或超高強度螺紋鋼桿體[4]。

4）結構的強度與錨桿直徑的平方成次正比例關系，隨著錨桿直徑的增大，該結構強度增強，巷道穩定性增高。

圖2 矩形巷道聯合承載結構示意圖

4 支護參數的設計及現場應用

4.1 支護參數

在數值模擬的基礎上，結合理論計算及實際的生產條件，確定2303運料巷沿空掘巷的支護方案如圖3所示。

圖3 2303運料巷支護方案（單位：mm）

為了提高聯合承載結構的強度，保證巷道的穩定，巷道頂板和兩幫均采用Φ22 mm×2 400 mm左旋螺紋鋼強力錨桿配卷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。

巷道頂板打雙排邁步錨索，錨索規格為Φ15.24mm×9 000 mm鋼絞線配三卷Z2360樹脂藥卷錨固，其他構件為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，錨索間排距1.4 m×2.5 m在斷層等地質條件異常地段或煤層變薄帶，必須對巷道進行加強支護，加強支護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；補設金屬支架加強（組合）支護；注漿加固圍巖[5]。

4.2 礦壓觀測

為了驗證窄煤柱護巷試驗的結果，巷道掘進過程中2303運料巷共設置了五個測站，每個測站布設兩個巷道表面位移觀測面，一個深基點位移計觀測面。通過位于巷道中部的三號測站的礦壓觀測數據可知，巷道的掘進影響期為9 d。在此期間，巷道急劇變形，兩幫及頂底變形量分別為176 mm、146 mm；巷道變形速率表現出先增大后減小的趨勢，兩幫變形速率在第2天達到最大值30 mm/d，頂底變形速率在掘進后的第3天達到最大值32 mm/d。然后巷道進入穩定階段，兩幫及頂底變形速率逐漸降至0。巷道開掘110 d內的兩幫變形量為382 mm，頂底變形量為302 mm，頂板的總下沉量為78 mm。頂板深部0～6 m范圍內，多點位移計各測點的絕對變形量均為78 mm，從而可知頂板6 m范圍內各層巖體之間沒出現離層，頂板屬于整體下沉。

5 結論

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

2）由“頂板—兩幫—支護體”組成的聯合承載結構決定著巷道的穩定，通過建立矩形巷道聯合承載結構的力學模型，指出該結構的穩定性與圍巖的性質、巷道的規格及錨桿的性質有關，結合數值模擬比較，確定了2303運料巷窄煤柱護巷的支護參數。

3）2303運料巷的礦壓觀測表明，5 m護巷煤柱下，基于聯合承載結構設計的支護方案巷道變形量小，能夠滿足生產的需求，為三軟煤層沿空掘巷設計提供了參考。