永安煤礦煤柱中巷支護技術模擬實驗研究

秦落銘

（沁和能源集團有限公司永安煤礦， 山西 晉城 048205）

引言

永安煤礦針對原井田邊界以內煤炭資源枯竭的實際情況，為維持礦井持續(xù)生產，經主管部門批準，擴大井田境界，增加礦井儲量。為盡快形成采煤工作面，扭轉礦井生產的被動局面，公司決定對在采空區(qū)留下的相鄰的兩條區(qū)段煤柱中間分別試掘運輸大巷和總回風巷。工程進行不久之后，運輸大巷、總回風巷均出現(xiàn)了強烈的變形，礦壓顯現(xiàn)劇烈。從而造成了巷道噴層破裂脫落，錨桿錨索被拉壞，兩幫破壞，頂板冒落，底鼓嚴重，支護困難，難以正常進行掘進作業(yè)。居于以上原因，煤礦方聯(lián)合太原理工大學開展了區(qū)段煤柱中巷支護技術的應用研究。由于區(qū)段煤柱處在高應力區(qū)，巷道圍巖處于復雜的應力變化中，使得在區(qū)段煤柱中掘出的巷道礦壓顯現(xiàn)復雜、劇烈，所以區(qū)段煤柱巷道支護是一個技術難題，前期需要對區(qū)段煤柱中巷進行支護模擬實驗[1-3]。

1 地質特征分析

沁和能源集團有限公司永安煤礦位于沁和縣嘉峰鎮(zhèn)永安村，井田面積3.86 km2，地質儲量6 412.6萬t，可采儲量2 554.4萬t。共有井筒3個（主井、副井、回風立井）。采煤方法為走向長壁分層炮采，資源回收率90%，機械化程度為90%。當前主要開采2號煤層，煤種為1號無煙煤，具有灰分低、含硫低等特點。當前開采的2號煤層走向西北，傾向西南，煤層平均傾角4°，煤層平均厚度1.86 m。

2 支護模擬實驗

2.1 模擬實驗設計及技術特征

2.1.1 實驗設計

實驗使用2 150 mm（長）×1 800 mm（高）×200 mm（寬）模型架進行加載實驗，幾何相似比為1∶5。模型的背面用木板固定，正面用有機玻璃固定且預留巷道開挖口，模型頂部安裝液壓千斤頂3臺，通過油泵加壓，千斤頂上部頂工字鋼。工字鋼左右用鋼絲繩和張緊掛鉤與模型架底部連接，便于千斤頂加載。千斤頂與模型頂部之間安裝有長度2 100 mm的槽鋼，以利于液壓缸所加壓力均勻分布在模型上表面。同時為了實驗過程安全與實驗的可靠性，模型的正面與背面再用槽鋼加固。

2.1.2 模型鋪裝及實驗儀器

參數(shù)模型的原始參數(shù)取自永安煤礦綜合柱狀圖及實驗區(qū)域的地質資料。模型根據(jù)需要選取幾何相似常數(shù)為5，容重相似常數(shù)為1.6，應力及強度相似常數(shù)為8，時間相似常數(shù)為2.828，載荷相似常數(shù)為1.6×106。相似材料用河沙、粉煤灰、石膏、碳酸鈣按配比混合后加水攪拌均勻后而制成的，分層材料用8～20目的云母粉。該實驗主要的測試手段有：采用108路壓力計算機數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)及CLYB-114型壓力傳感器監(jiān)測煤柱應力分布、采用PENTAX R-322NX型光學全站儀監(jiān)測上覆巖層位移變化。

2.2 主要實驗現(xiàn)象

開挖實驗巷道，先開挖巷道尺寸為27cm×18cm，并進行四次擴巷，實驗巷道最終達到設計尺寸。實驗巷道開挖后進行支護。

本次實驗在模型頂部架設三個千斤頂用于加載，總共進行七輪加載。在加載的過程中有實驗巷道破壞的，所以巷道進行擴巷，在擴巷后進行新一輪的加載。第一輪加載中左、中、右三部油缸同時加載至10 MPa，頂、幫部位百分表讀數(shù)增加，底板壓力傳感器15—21號數(shù)值增加49 kg，加載頂梁整體抬升3 cm。

第一輪加載畢，對實驗巷道第一次擴巷，自底板往下開挖9 cm，實驗巷道尺寸變?yōu)?7 cm×27 cm。緊接著進行第二次擴巷，使實驗巷道尺寸變?yōu)?7 cm×36 cm進行第二輪加載之后，將巷道尺寸擴為52 cm×36 cm。

當加載至30 MPa，模型破壞，左幫自底板處折斷，右?guī)兔褐皂敯逄幷蹟啵瑑蓭推瑤蛧乐亍U巷至設計寬度，頂板離層，高度7 cm，長度37 cm，頂板錨桿支護過程中，頂板大面積冒落，高度約10 cm。

在第五輪加載結束后，拆除木支架，更換柔性支架。進行第七輪加載，柔性支架彎曲線、折斷。加載過程中，巷道正下方壓力傳感器15—19號數(shù)值基本沒有變化，兩邊煤柱下方傳感器增加較多；加載至15 MPa時，巷道下方16—19號傳感器數(shù)值開始減小；加載至24 MPa，15—19號傳感器數(shù)值減小，20—22號傳感器數(shù)值穩(wěn)定，不增加；加載至26 MPa，巷道支架破壞，模型異響，漏沙，加載至30 MPa，15—22號傳感器數(shù)值均開始減小。

3 實驗數(shù)據(jù)處理

根據(jù)實驗巷道內百分表變化情況得知，在每輪加壓后，巷道的頂板變化量最大，其次是巷道右?guī)汀８鶕?jù)模型底部壓力傳感器數(shù)據(jù)得知，在模型頂部加壓時巷道下方的傳感器增加量是最低的，巷道兩幫煤柱下的傳感器增加量和模型邊界傳感器的增加量較大[4-5]。

實驗巷道內架設五組支架，根據(jù)所測數(shù)據(jù)得知，第一、第二和第五支架在加載的過程中所受力增大，而第三和第四支架是減少的。

在巷道頂部打三個測力錨桿，巷道兩幫各打個測力錯桿。

1號錨桿在加載過程中，數(shù)據(jù)從8 079 g穩(wěn)步增加至8 094 g，呈現(xiàn)較好的線性關系，定義錨桿軸向力為y，加載值為x，則有y=0.6457x+8077.1，R2=0.908 3，如圖1所示。

巷道支架傳感器布置在巷道左右?guī)偷撞浚虞d過程中監(jiān)測巷道支架的受力情況，頂板壓力通過在巷道中部布置傳力立柱監(jiān)測頂板來壓強度第四輪加載過程中，巷道左幫處壓力值由開始的27 kg增加至171 kg，巷道右?guī)蛪毫χ涤?5 kg增加至159 kg；加載至2 MPa時，巷道中間的頂板壓力檢測傳感器數(shù)值增加到最大值21.9 kg，隨后開始減小，說明頂板已經完全破壞，傳感器檢測處頂板酥松并開始吸收外加載荷的能量。

圖1 加載過程中1號測力錨桿軸向力變化曲線

4 結論

1）巷道幫部煤柱為護巷煤柱的主體，必須要對其進行相應的合理支護。可以采用整體澆注護巷帶的技術措施，從而有效避免煤柱剪切破壞。同時通過模擬實驗表明煤柱頂?shù)装宀课粸橹ёo的重點區(qū)域。

2）模擬實驗結果表明區(qū)段煤柱側高應力是影響該巷道穩(wěn)定性的關鍵因素，在支護設計中必須予以考慮。