東周窯煤礦8106工作面沿空掘巷圍巖控制技術研究與應用

張 健

(晉能控股煤業集團 同發東周窯煤業有限公司，山西 大同 037100)

1 工程概況

同煤集團8106工作面井下位于石炭系太原組5號層一盤區，西北側為C5號層已采8102工作面采空區，西側為已采8100工作面，東側為正在掘進的8106系統巷，東南側、西南部為實煤區。工作面開采C5號煤層，煤層厚度為5.86～7.93 m，平均厚度為6.90 m，煤層平均傾角為5°，煤層頂底板巖層特征如表1所示，工作面采用綜放機械化開采方法，全部垮落法管理頂板。5106巷主要為8106工作面提供回風、行人等服務，巷道右側8102工作面采空區，現進行5106沿空掘巷作業，為留設合理的護巷煤柱，確保巷道圍巖的穩定，特進行合理煤柱及圍巖控制方案研究。

表1 煤層頂底板巖層特征

2 沿空掘巷煤柱合理寬度分析

煤柱留設寬度會影響巷道圍巖應力分布狀態及范圍，還可能造成巷道圍巖變形量增大、圍巖變形破壞嚴重等問題[1-2]。區段煤柱寬度太大勢必會導致煤炭資源回采率降低，同時可能會使巷道處于圍巖應力增高區域，不利于巷道維護。而區段煤柱太小則會造成煤柱承載能力低，煤柱穩定性遭到破壞。區段煤柱的合理留設一定程度上保證了工作面正常安全回采，同時有益于巷道維護成本的有效控制[3]。由于沿空掘巷煤柱留設時,采用普通的理論分析方法時，計算結果受參數選取的影響較大，故現采用FLAC3D數值模擬軟件進行合理煤柱寬度的分析。建立數值模型長×寬×高=150 m×120 m×50 m，對模型底面進行固定，并限制其側面在水平方向的運動，模型頂部施加等效覆巖載荷，采用摩爾-庫倫屈服準則對模型進行計算，水平側壓系數取1，現結合礦井工程實踐經驗及眾多沿空掘巷研究結論[4-5]，分別留設3 m、4 m、6 m、8 m、10 m和12 m煤柱，具體分析不同煤柱寬度下圍巖變形及位移特征。

1) 窄煤柱掘巷期間煤柱變形規律：根據數值模擬結果能夠得出，5016巷在不同護巷煤柱寬度下煤柱水平位移曲線如圖1所示。

圖1 掘巷期間煤柱內水平位移分布曲線

分析圖1可知：①沿空掘巷時，煤柱的變形量隨著寬度的增大而不斷減小，當煤柱變形量達到3 m時，可能已發生變形破壞，不能保持其幾何形狀及穩定性；②當煤柱為3～8 m寬度時，煤柱寬度增大時，其向采空區側的移近量也相應增大，煤柱大于8 m后，隨著煤柱寬度增大，其向采空區的移近量開始減小，主要是由于煤柱太寬導致其位于側向支撐壓力峰值影響區域內；③當煤柱寬度為6 m時，其中部位移較小且基本保持穩定狀態；煤柱寬度繼續增大時，此時煤柱的變形量開始增大，大于煤柱為6 m時的變形量。

2) 窄煤柱圍巖變形規律分析：不同護巷煤柱寬度下圍巖表面位移矢量圖如圖2所示。

圖2 不同煤柱寬度下巷道圍巖表面位移矢量

分析圖2可知：①頂板下沉：當煤柱寬度由3 m增加到6 m時，巷道頂板下沉量由127.4 mm逐漸減小至89.7 mm，減小幅度42.3%；當煤柱寬度由8 m增加到10 m時，頂板下沉量從86.2 mm 快速增大為114.7 mm，增大幅度26%；煤柱寬度大于10 m時，煤柱寬度的增大對頂板下沉的影響較小。②底鼓：由圖中底鼓量曲線可知，煤柱寬度為6 m時，底鼓量基本保持一個恒定的微小的波動范圍，底鼓量的最小值對應的煤柱寬度是4～5 m之間的某個值，這是由于煤柱寬度太小導致覆巖的載荷向實體煤幫運移，導致應力通過兩幫作用于底板巖層，所以導致底鼓量增加。當煤柱寬度超過6 m后，巷道底鼓量基本趨于穩定狀態。③窄煤柱幫變形量：煤柱寬度增大，其變形量表現為先增大后減小再增大，最后達到穩定的變化趨勢。4 m煤柱寬度對應的窄煤柱幫移近量達到最大值 141 mm，這說明此時窄煤柱處于應力增高區影響范圍內，且極易發生片幫等事故；雖然煤柱寬度超過8 m后，窄煤柱幫移近量有逐漸穩定的趨勢，但此時的巷幫移近量依然要遠大于煤柱寬度為6～8 m 所對應的煤柱幫移近量，因此其參考意義不足。④實體煤幫變形量：實體煤幫變形量的主要變化趨勢是：當煤柱寬度超過8 m時，有緩慢增長的趨勢；而3～8 m范圍內實體煤幫變形量遞減的幅度與超過8 m后遞增的幅度近似。實體煤幫變 形量波動范圍為68.3～73.9 mm，所以可將其視作相對穩定狀態。

綜合上述分析可知，8106工作面5106巷沿空掘巷時，合理的護巷煤柱寬度為6 m。

3 沿空掘巷支護方案及效果

3.1 沿空掘巷支護方案

根據8106的地質生產條件，結合窄煤柱合理寬度的分析結果，確定巷道采用錨網索支護方案。為了充分發揮錨桿支護的作用，提出一次支護、高預應力和預應力擴散支護原則[6-8]，具體支護參數如下：

1) 頂板支護：頂板采用全錨索支護，錨索采用1×19股低松弛預應力鋼絞線，規格為D21.8 mm×5 200 mm和D21.8 mm×7 200 mm，巷道斷面內布置5根錨索，其中5 200 mm的錨索間排距為1 100 mm×900 mm，7 200 mm的錨索間排距為2 200 mm×1 800 mm，錨索間通過W型鋼帶連接，鋼帶尺寸參數為長×寬×厚=4 700 mm×280 mm×4 mm；頂板錨索全部垂直頂板布置，預緊力不低于300 kN。

2) 兩幫支護：錨桿采用左旋無縱筋螺紋鋼筋，規格為D20 mm×2 400 mm，間排距為800 mm×1 000 mm，錨桿全部垂直煤幫安設；設置錨桿預緊扭矩為450 N·m，幫錨索采用材料為17股高強度低松弛預應力鋼絞線，規格為D17.8 mm×4 200 mm；煤柱幫和回采幫均布置錨索，間排距為2 000 mm×800 mm，垂直煤壁布置，預緊力為200 kN。巷道表面鋪設雙層菱形金屬網進行護表。

具體巷道支護方案如圖3所示。

圖3 5016巷支護方案示意(mm)

3.2 效果分析

5016巷掘進期間采用十字布點法進行巷道圍巖變形量的監測分析，根據監測數據可繪制出如圖4所示圍巖變形曲線圖。

圖4 巷道圍巖變形曲線

分析圖4可知，巷道掘進期間圍巖變形主要集中在巷道掘出0～20 d內，巷道掘出30 d后，圍巖變形量基本不再增長，最終頂底板和兩幫移近量的最大值分別為98 mm和168 mm，據此可知，巷道在6 m煤柱和現有支護方案下，圍巖變形量小，保障了圍巖的穩定。

4 結 語

根據5016巷道的地質賦存條件，通過數值模擬軟件進行沿空掘巷合理窄煤柱寬度分析，基于分析結果，確定合理煤柱寬度為6 m，進一步結合巷道特征進行圍巖支護方案設計，確定巷道頂板采用全錨索支護，回采幫錨桿+錨索支護，煤柱幫采用錨桿支護，根據支護方案實施后圍巖變形監測結果可知，圍巖變形量小，圍巖處于穩定狀態。