小煤柱沿空留巷圍巖控制應(yīng)用研究

李海洋

（山西晉煤集團(tuán)趙莊煤業(yè)，山西 長(zhǎng)治 046605）

1 工程概況

趙莊礦E1305 工作面開采山西組3#煤，采用一次性采全高機(jī)械化采煤工藝。工作面回采走向長(zhǎng)度為1 015.4 m，傾向長(zhǎng)度158.4 m，埋深約600 m，煤層賦存穩(wěn)定，采煤高度約4.6 m，產(chǎn)狀變化小，煤層傾角約8°。以往設(shè)計(jì)的區(qū)域護(hù)巷煤柱均在20～60 m，導(dǎo)致大量的煤炭資源難以回收，造成經(jīng)濟(jì)損失。

該礦在回采E1306 工作面時(shí)，采用雙巷掘進(jìn)的方法，預(yù)留煤柱寬度為24 m。E1306 工作面回采結(jié)束后準(zhǔn)備回采E1305 工作面時(shí)，由于留設(shè)的煤柱寬度不合理，回采過程中由于工作面超前支承應(yīng)力和采動(dòng)影響，導(dǎo)致準(zhǔn)備復(fù)用的E13065 巷發(fā)生較為嚴(yán)重的變形，局部有冒頂?shù)痊F(xiàn)象。故計(jì)劃在E1305 工作面實(shí)體煤一側(cè)挖掘E13052 巷，使巷道處于應(yīng)力集中系數(shù)較小的區(qū)域，保證回采E1305 工作面時(shí)的正常通風(fēng)和運(yùn)輸工作。本文主要針對(duì)掘巷和回采時(shí)的煤柱應(yīng)力分布特征進(jìn)行分析，設(shè)計(jì)巷道支護(hù)方案，保證工作面順利回采。

2 臨空側(cè)小煤柱頂板應(yīng)力分布特征

為了確保E1305 工作面高效回采，必須保證煤柱留設(shè)寬度合理，能夠在充分回收煤炭資源的前提下保持較好的承載性能，保證E13052 巷道的安全掘進(jìn)。同時(shí)，當(dāng)工作面回采時(shí)，采空區(qū)頂板斷裂，形成懸臂梁結(jié)構(gòu)，會(huì)增大煤柱的應(yīng)力[1-2]。

2.1 掘巷時(shí)煤柱的應(yīng)力分布特征

隨著E1306 工作面回采，基本頂發(fā)生破斷，如圖1，采空區(qū)上方的基本頂回轉(zhuǎn)下沉，部分壓在沿空煤柱上，從而增大了煤柱的載荷，致使煤柱內(nèi)部應(yīng)力增大。煤柱靠近采空區(qū)一側(cè)由于煤壁破碎，煤體內(nèi)部的應(yīng)力低于原巖應(yīng)力，稱之為應(yīng)力降低區(qū)域[3-5]。越靠近煤柱中部區(qū)域，煤柱的應(yīng)力逐漸增大，直至應(yīng)力的峰值kγh，隨后又逐漸減小，在靠近巷道部分又回到應(yīng)力降低區(qū)域。

當(dāng)開挖E13052 巷后，小煤柱區(qū)域的應(yīng)力分布改變，采空區(qū)的應(yīng)力逐漸向小煤柱和工作面部分轉(zhuǎn)移，小煤柱大于1/2 的區(qū)域低于原巖應(yīng)力γh，小煤柱出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，應(yīng)力峰值為k1γh，高于原巖應(yīng)力，略低于工作面的側(cè)向支承應(yīng)力k2γh。小煤柱左右兩側(cè)應(yīng)力呈對(duì)稱分布。

圖1 重新掘巷時(shí)煤柱頂板應(yīng)力分布

2.2 回采期間煤柱應(yīng)力分布特征

當(dāng)E1305 工作面開始回采時(shí)，沿空煤柱一側(cè)的頂板應(yīng)力基本不發(fā)生改變，而E13052 巷道后方采空區(qū)頂板隨工作面回采破斷，同樣發(fā)生回轉(zhuǎn)下沉，頂板的應(yīng)力重新分布，導(dǎo)致E13052巷內(nèi)的應(yīng)力升高，如圖2 小煤柱的應(yīng)力明顯增大，應(yīng)力峰值為k3γh，煤柱兩邊應(yīng)力仍然呈現(xiàn)對(duì)稱分布。

圖2 工作面回采時(shí)煤柱應(yīng)力分布

在E1305 回采的工作面超前區(qū)域，E13052 巷道和小煤柱承載區(qū)域，受到上個(gè)工作面回采結(jié)束后頂板側(cè)向支承應(yīng)力和本工作面正常回采時(shí)超前支承應(yīng)力的疊加影響，巷道在回采過程中所承受的載荷不斷增大，巷道圍巖變形也不斷增大。因此需要加強(qiáng)對(duì)E13052巷道的支護(hù)，保證巷道和小煤柱的穩(wěn)定，減小因巷道和煤柱破壞而產(chǎn)生的進(jìn)一步應(yīng)力集中引發(fā)更嚴(yán)重的安全事故。

2.3 小煤柱合理寬度分析

為了確定小煤柱掘巷煤柱的留設(shè)寬度，結(jié)合實(shí)際地質(zhì)條件，利用FLAC3D建立了數(shù)值模型，提出5 種煤柱尺寸，分別為6 m、8 m、10 m、12 m、14 m。數(shù)值模擬結(jié)果表明，6～10 m 的煤柱有較大的應(yīng)力集中，均大于3，較大的應(yīng)力集中系數(shù)會(huì)造成煤體破碎，有冒頂或者瓦斯泄漏的風(fēng)險(xiǎn)，并且煤柱沒有彈性變形區(qū)域；而大于等于12 m 之后，煤柱處于采動(dòng)影響的應(yīng)力峰值外，應(yīng)力集中系數(shù)小于3，且煤柱中部出現(xiàn)彈性區(qū)域，利于巷道的維護(hù)和控制。考慮模擬的結(jié)果和經(jīng)濟(jì)效益，決定將小煤柱的寬度設(shè)計(jì)為12 m。

3 新掘巷道圍巖控制及效果分析

3.1 巷道圍巖支護(hù)方案

（1）頂板支護(hù)

巷道頂部采用錨索網(wǎng)支護(hù)。錨索選用端部自帶錨固劑攪拌頭、尾部有高強(qiáng)度鎖具的SKP22-1/1720-6400 mm。錨索的托盤選擇300 mm 見方、厚16 mm 且強(qiáng)度較高的蝶形托盤。

根據(jù)頂板條件，每個(gè)斷面設(shè)計(jì)5 根錨索，間距1100 mm。靠近煤幫部分的錨索距離幫部300 mm，錨索排距1200 mm，錨索設(shè)計(jì)均垂直于頂板。為了錨索安裝簡(jiǎn)便，在安裝錨索的位置設(shè)計(jì)鋼筋托梁，采用Φ14 mm 的鋼筋，托梁長(zhǎng)4.5 m，寬80 mm。在安裝位置額外焊接縱筋，縱筋設(shè)計(jì)兩段，間距約100 mm。

金屬網(wǎng)由8 號(hào)鐵絲制成菱形網(wǎng)片，網(wǎng)片的規(guī)格5.2 m×1.15 m，網(wǎng)孔規(guī)格45 mm×45 mm，網(wǎng)片之間用搭接的方法拼接，平均搭接的長(zhǎng)度約120 mm。

每根錨索選用3 份錨固劑，兩份中速、一份快速錨固劑。錨固長(zhǎng)度大于1800 mm，錨固力大于250 kN，鎖具外露長(zhǎng)度150～250 mm。

（2）巷幫支護(hù)

巷幫設(shè)計(jì)錨索支護(hù)，單側(cè)幫部每排3 根錨索，排距2400 mm，間距1200 mm，頂部和底部錨索距離頂板底板均為1000 mm，使用全長(zhǎng)錨固方式。

3.2 巷道變形觀測(cè)

為了檢驗(yàn)方案的合理性，在E1305 工作面推進(jìn)350 m 時(shí)，在工作面超前200 m 采用“十字布點(diǎn)法”布置觀測(cè)點(diǎn)D，記錄數(shù)據(jù)。工作面每推進(jìn)100 m，則在D 觀測(cè)點(diǎn)的前方分別布置觀測(cè)點(diǎn)E 和觀測(cè)點(diǎn)F，布置方式如圖3。

圖3 巷道圍巖變形觀測(cè)點(diǎn)布置方式

以觀測(cè)點(diǎn)D 為例，當(dāng)工作面推進(jìn)至距D 點(diǎn)8 m時(shí)，由于安全問題，停止對(duì)D 點(diǎn)巷道圍巖變形量數(shù)據(jù)的收集，觀測(cè)點(diǎn)E 和F 也一樣，均在工作面距離觀測(cè)點(diǎn)相同距離停止觀測(cè)。已知工作面E1305 每日推進(jìn)量約8 m，因此，觀測(cè)點(diǎn)D 大致可以記錄約25日內(nèi)巷道的變形特征。D 點(diǎn)兩幫移近量特征如圖4。

圖4 D 點(diǎn)巷道兩幫移近量特征

如圖所示，工作面距離D 點(diǎn)大于120 m 時(shí)，D的巷道兩幫幾乎沒有變化。當(dāng)工作面繼續(xù)推進(jìn)，在超前支承應(yīng)力的影響下，E13052 巷道圍巖開始變形，變形量逐漸增大。在工作面距離D 點(diǎn)70～120 m 時(shí)，巷道兩幫移近總量小于30 mm，兩幫移近速率小于3 mm/d。隨著工作面繼續(xù)推進(jìn)，距離D 點(diǎn)30 m 時(shí)，逐漸進(jìn)入超前支承應(yīng)力的升高區(qū)域，兩幫移近速率明顯增大，煤柱一側(cè)增大至45 mm/d，實(shí)體煤一側(cè)為30 mm/d，并且煤柱一側(cè)巷道幫部移近量大于實(shí)體煤一側(cè)，隨著距離工作面越近越明顯。最后，兩幫移近量約270 mm，煤柱一側(cè)變形量為170 mm，接近總量的63%。由此可知，后期應(yīng)當(dāng)適當(dāng)加固煤柱側(cè)的煤幫，可以減小巷道兩幫的變形。

由圖5 可知，回采期間頂板的下沉特征與巷道兩幫移近變形特征基本相同。在距離大于120 m 時(shí)，巷道圍巖均沒有明顯的變形。D 點(diǎn)處于工作面超前8～50 m 時(shí)，頂、底變形速率明顯增大，其中頂板的下沉速率大于底板的底鼓速率。在工作面距離D 點(diǎn)8 m時(shí)，頂?shù)装逡平康淖冃嗡俾蔬_(dá)到峰值30 mm/d。頂?shù)装逡平孔畲蠹s為210 mm。

圖5 D 點(diǎn)巷道頂?shù)装逡平刻卣?/p>

觀測(cè)點(diǎn)E 和觀測(cè)點(diǎn)F 處巷道圍巖變形特征與D點(diǎn)相同。雖然在工作面回采期間，巷道變形量不斷增大，但均在合理的變形范圍內(nèi)，巷道圍巖整體性完好，表明小煤柱的留設(shè)位置和寬度合理。上述支護(hù)方案的參數(shù)也適用于E1305 工作面回采，整體的設(shè)計(jì)順利試用于工程實(shí)踐。

4 結(jié)論

（1）分別分析了留設(shè)12 m 小煤柱后，在E13052 巷道掘進(jìn)和工作面回采時(shí)頂板的應(yīng)力分布特征，工作面回采時(shí)小煤柱的應(yīng)力集中系數(shù)遠(yuǎn)大于巷道掘進(jìn)時(shí)的應(yīng)力集中系數(shù)。

（2）在E13052 巷內(nèi)布置觀測(cè)點(diǎn)檢驗(yàn)巷道支護(hù)方案的合理性。隨著工作面推進(jìn)，巷道變形量逐漸增大，兩幫移近量最大為270 mm，頂?shù)装逡平考s210 mm，巷道變形在合理范圍內(nèi)，留巷效果良好。