龐龐塔礦留小煤柱沿空掘巷技術(shù)研究與應(yīng)用

閆 劍

（霍州煤電集團(tuán)呂臨能化有限公司龐龐塔煤礦，山西 臨縣 033200）

1 工程概況

龐龐塔煤礦現(xiàn)階段主采的9#煤層賦存于太原組中下部，上距5 號(hào)煤層40.90～56.15m，平均50.63m，煤厚3.60～13.30m，平均11.8m，屬特厚煤層。傾角3～19°，平均15°。煤層結(jié)構(gòu)復(fù)雜，一般含夾矸1～4 層，夾矸厚度0.10～0.38m，夾矸多為炭質(zhì)泥巖。9-303 工作面位于南三盤區(qū)中西部，南部與正在回采的9-301 工作面相鄰，北側(cè)為9-101 工作面采空區(qū)，西部為三盤區(qū)邊界保護(hù)煤柱，東部為三條大巷，見(jiàn)圖1。9-303 工作面頂?shù)装鍘r層參數(shù)如表1 所示。9#煤層回采工作面間區(qū)段煤柱寬度通常為25～30m，形成大量的煤炭資源遺留在采空區(qū)無(wú)法回收。本文以9-303 工作面的運(yùn)輸巷為背景，對(duì)護(hù)巷煤柱的合理寬度進(jìn)行研究分析，提高資源的利用率。

圖1 9-303 工作面采掘布置圖

表1 9#煤頂?shù)装鍘r性特征表

2 煤柱寬度理論分析及計(jì)算

參考已有的相關(guān)研究成果，區(qū)段煤柱的留設(shè)寬度對(duì)回采巷道的圍巖穩(wěn)定性具有重大的影響[1-2]。在工作面開采引起的動(dòng)壓及超前支承壓力影響下，區(qū)段煤柱內(nèi)的損傷破壞不斷累加。若煤柱寬度過(guò)小將導(dǎo)致煤柱喪失其原有的支承能力，巷道煤壁幫的錨桿將失效，最終導(dǎo)致回采巷道出現(xiàn)破壞失穩(wěn)。因此，區(qū)段煤柱的寬度應(yīng)大于極限平衡條件下的區(qū)段煤柱寬度，其合理寬度的計(jì)算模型如圖2 所示。依據(jù)極限平衡理論，煤柱寬度應(yīng)滿足：

式中：

B-護(hù)巷煤柱極限寬度，m；

x1-臨近采空區(qū)側(cè)煤柱內(nèi)塑性破壞的深度，m；

x2-煤柱側(cè)錨桿長(zhǎng)度，m；

x3- 煤柱內(nèi)部的彈性核區(qū)，按照經(jīng)驗(yàn)取（0.15～0.35）（xl+x2）；

式（1）中的x1計(jì)算公式如下[3-4]：

將以上參數(shù)代入式（2）計(jì)算可得x1=4.12m，9-303運(yùn)輸巷內(nèi)錨桿長(zhǎng)度為1.8m，則煤柱內(nèi)彈性核區(qū)寬度x3=（0.15～0.35）（xl+x2）=（0.15 ～0.35）×（4.12+1.8）=0.89～2.07m。根據(jù)9-303 工作面具體的地質(zhì)條件，綜合考慮經(jīng)濟(jì)、安全等多方面因素，設(shè)計(jì)煤柱中部彈性核區(qū)寬度為2.0m，代入式（1）計(jì)算可得，護(hù)巷小煤柱的極限寬度為7.92m，建議9-303 運(yùn)輸巷護(hù)巷煤柱寬度為8.0m。

圖2 護(hù)巷煤柱極限寬度計(jì)算模型

3 區(qū)段煤柱寬度的數(shù)值模擬分析

為確定9-303 運(yùn)輸巷掘進(jìn)護(hù)巷煤柱的寬度，以前面的理論計(jì)算結(jié)果為基礎(chǔ)，采用FLAC3D數(shù)值模擬軟件進(jìn)行分析。9#煤層埋深約210m，9-303 運(yùn)輸巷矩形斷面寬×高=4500×3500mm，建立模型的尺寸（長(zhǎng)×寬×高）為500×260×90m，煤層及頂?shù)装暹x用Mohr-Coulomb 理想彈塑性模型，模型各個(gè)巖層的相關(guān)物理力學(xué)參數(shù)如表2 所示。模型邊界條件：模型前后左右邊界水平位移受到約束，底面邊界為固定邊界，上部為自由邊界，未模擬巖層按等效載荷代替。模擬過(guò)程：臨近工作面回采，9-303運(yùn)輸巷開挖，9-303 工作面回采。

表2 巖石力學(xué)性質(zhì)參數(shù)

3.1 臨近工作面回采

臨近工作面回采后，端頭部垂直應(yīng)力分布如圖3（a）所示。從煤壁側(cè)向煤層深部應(yīng)力呈增大—減小—穩(wěn)定的趨勢(shì)。為了更直觀地表現(xiàn)煤體應(yīng)力分布特征，合理確定煤柱留設(shè)寬度，得到煤體應(yīng)力分布曲線如圖3（b）所示。在距端頭煤壁9m 之內(nèi)為應(yīng)力降低區(qū)，距離端頭煤壁10～15m 為應(yīng)力集中區(qū)，應(yīng)力核區(qū)內(nèi)垂直應(yīng)力最高達(dá)19.7MPa，在距煤壁13m 處應(yīng)力達(dá)到峰值，應(yīng)力集中系數(shù)2.5。以往留小煤柱沿空掘巷成功應(yīng)用的實(shí)例表明，將巷道布置在應(yīng)力降低區(qū)內(nèi)，將更加有利于巷道圍巖的穩(wěn)定。結(jié)合前文理論計(jì)算的結(jié)果，提出了以下煤柱寬度方案：6m、7m、8m、9m。

圖3 上區(qū)段工作面回采模擬結(jié)果

3.2 二次回采

不同煤柱寬度條件下進(jìn)行9-303 運(yùn)輸巷的開挖和回采，在二次采動(dòng)影響下四種寬度的煤柱均處于壓酥卸壓狀態(tài)。對(duì)比分析煤柱內(nèi)應(yīng)力分布發(fā)現(xiàn)，煤柱寬度為9m 時(shí)，中部存在寬度1.5～2m 彈性核區(qū)，有利于保持煤柱的穩(wěn)定性。煤柱下部底板中垂直應(yīng)力的變化規(guī)律如圖4 所示。煤柱寬度由6m 增大至9m，底板受到煤柱傳遞的垂直應(yīng)力由2.6MPA 增大至3.5MPa。隨著煤柱寬度的增大，其支承能力逐漸增強(qiáng)。煤柱寬度為6m 時(shí)，應(yīng)力變化曲線呈單峰狀態(tài)；煤柱寬度為7～9m，應(yīng)力變化呈“W”型；煤柱寬度9m 時(shí)，應(yīng)力傳播曲線呈平底狀，說(shuō)明煤柱整體承載性較好。綜合考慮煤柱的受力狀態(tài)及上文理論計(jì)算的結(jié)果，同時(shí)考慮到9#煤層煤質(zhì)較軟、小煤柱易片幫等問(wèn)題，最終設(shè)計(jì)9-303 運(yùn)輸巷護(hù)巷煤柱為9m。

圖4 不同煤柱條件下圍巖應(yīng)力分布圖

4 9-303 運(yùn)輸巷支護(hù)方案

9-303 運(yùn)輸巷掘進(jìn)斷面為矩形，巷道尺寸寬×高=4.5×3.5m，采用“錨桿+鋼帶+錨索”聯(lián)合支護(hù)。支護(hù)參數(shù)如下：頂板采用Ф20×1800mm的無(wú)縱肋螺紋鋼錨桿，并配套碟形鐵托盤，采用MSCKb2360 和MSK2380 樹脂藥卷各一支錨固，錨桿間排距1200mm×1000mm，頂板錨桿采用“四四”布置；煤柱幫錨桿采用Ф20×1800mm 的螺紋鋼錨桿，回采幫采用同型號(hào)的玻璃鋼錨桿，采用五花形布置，每排三根時(shí)最上部的錨桿距頂板為600mm，間排距為1000×1000mm，幫錨桿采用一支MSCKb2360 樹脂藥卷進(jìn)行端頭錨固。頂板錨索采用Ф21.6mm、長(zhǎng)為6.2m 的鋼絞線，采用“二二”布置，錨索間排距為2000×3000mm。錨桿間聯(lián)結(jié)鋼帶長(zhǎng)3900mm，滾幫大時(shí)巷道兩幫掛設(shè)2300×4000m 的鐵絲網(wǎng)。9-303 運(yùn)輸巷支護(hù)斷面如圖5 所示。

圖5 9-303 運(yùn)輸巷支護(hù)斷面

5 應(yīng)用效果

9-303 運(yùn)輸巷掘巷與9-101 工作面間煤柱寬度為9m，為考察煤柱留設(shè)寬度的合理性，在9-303 工作面回采期間，超前工作面10m 的運(yùn)輸巷煤壁側(cè)進(jìn)行鉆孔窺視。在孔深為0～1.2m 范圍內(nèi)，煤體破碎嚴(yán)重；孔深為1.2～3.5m 范圍內(nèi)，煤體內(nèi)部環(huán)向裂隙較為發(fā)育，煤體已相當(dāng)完整，裂隙發(fā)育程度逐漸降低；孔深為3.5～6.0m 范圍內(nèi)，煤體內(nèi)部整體較為完整，孔壁較為光滑。綜上可以看出，二次采動(dòng)影響下煤柱內(nèi)仍存在一定寬度的彈性核區(qū)，煤柱的穩(wěn)定性和支承能力良好，且9-303 運(yùn)輸巷圍巖位移量控制在合理的范圍內(nèi)，小煤柱護(hù)巷技術(shù)在9-303 工作面應(yīng)用取得了良好的效果。