簡述中厚煤層留窄煤柱沿空掘巷支護技術(shù)

＊范晉鋒

（山西晉能控股煤業(yè)集團趙莊二號井 山西 046600）

1.煤礦的基本概況

以某煤礦為例，其工作面位于井田的東南方位，埋深約為90m。在工作面周圍，西南側(cè)和北側(cè)均是采空區(qū)，東側(cè)是工作面的開切眼，西南側(cè)是井田的邊界，走向長度約為1050m。該煤礦的開采作業(yè)，采用機械化設(shè)備和自動化技術(shù)，主采煤層的高度為2m。該工作面屬于窄煤柱沿空掘巷工作面，頂板和底板的地質(zhì)情況如下：（1）基本頂，是粉砂巖，厚度平均為8.0m；（2）直接頂，是細粒砂巖，厚度平均為1.2m；（3）直接底，是粉砂質(zhì)泥巖，厚度平均為1.1m；（4）基本底，是粉砂巖，厚度平均為4.2m。

2.窄煤柱沿空掘巷的技術(shù)特點和寬度設(shè)置

(1)技術(shù)特點

第一，總體上來看，煤炭的采出率高，采空區(qū)通防管理簡單；但巷道圍巖的變形量大，對于巷道的支護和維護要求高。第二，巷道在側(cè)向殘余支承壓力峰值的附近，掘巷會對支承壓力的分布產(chǎn)生擾動，因此在開采掘進期間、掘后穩(wěn)定期，圍巖均會產(chǎn)生變形，相比于完全沿空掘巷的變形要大。第三，因煤柱寬度小，支承作用力弱，煤柱很容易發(fā)生破碎；而且巷道的跨度、懸頂距增大，提高了支護和維護工作的難度。第四，窄煤柱裂隙發(fā)育，容易出現(xiàn)漏風現(xiàn)象。第五，關(guān)于煤柱寬度和巷道圍巖穩(wěn)定性的關(guān)系，不同研究結(jié)論也不同，較小的數(shù)據(jù)例如1m～5m，較大的數(shù)據(jù)例如20m～30m。

(2)寬度設(shè)置

從目前已有的研究來看，可以得到以下幾個結(jié)論：①上區(qū)段工作面開采作業(yè)后，基本頂?shù)臄嗔丫€位置，會直接影響窄煤柱的穩(wěn)定性，影響巷道的變形情況。②從圍巖結(jié)構(gòu)特征入手，圍巖結(jié)構(gòu)大小不同，對巷道變形量的影響也不同。要想確定窄煤柱的具體寬度，應(yīng)該分兩個步驟進行，介紹如下：

A.基本頂破斷處進入煤壁的深度。回采工作面時，基本頂破裂部位，基本上和煤體彈性塑性的交界處吻合，會向著采空區(qū)旋轉(zhuǎn)并下沉。此時，斷裂部位進入煤壁的深度為X0，計算公式是：

式中，m代表工作面采高；A代表側(cè)壓系數(shù)；φ0代表煤體內(nèi)摩擦角；C0代表煤體的黏聚力；K代表應(yīng)力集中系數(shù)；γ代表上覆巖層的平均容重；H代表巷道埋深；Pz代表上區(qū)段工作面巷道煤幫的支護強度。

結(jié)合本工程，取值情況是：A=0.25，φ0=30°，C0=4MPa，K=1.5，γ=18MN/m3，H=100m，Pz=0.25MPa，將以上數(shù)據(jù)帶入式（1），得到結(jié)果X0=2.53m。

B.窄煤柱的寬度。結(jié)合工程實踐，窄煤柱的寬度大小，直接影響煤柱和圍巖的穩(wěn)定性，決定了沿空掘巷是否能順利完成。采用極限平衡法，窄煤柱的寬度設(shè)置應(yīng)滿足：

式中，B代表窄煤柱的寬度；x1代表采空區(qū)影響的塑性區(qū)寬度；x2代表窄煤柱幫采用的錨桿有效長度；x3代表煤柱寬度富裕系數(shù)。見圖1。

圖1 窄煤柱的寬度設(shè)計

其中，考慮到該煤層是中厚煤層，為了保證煤柱的穩(wěn)定性，要求x3=0.2(x1+x2)。當x1=x0，把式（1）帶入式（2），就能得到：

式中，L'代表錨桿的有效長度，一般為1.3m～1.8m，將其代入式（3），計算可得B=4.83-5.55（m），初步取整數(shù)值為5m，即窄煤柱的寬度設(shè)置為5m。

3.窄煤柱沿空掘巷的支護技術(shù)方案

(1)支護方案

巷道斷面設(shè)計為矩形，高度和寬度分別是2.4m、5.0m。考慮到周圍的回采巷道，多是錨網(wǎng)索支護，不僅支護效果好，而且技術(shù)成熟，因此決定采用錨桿+錨索支護方案。工作面內(nèi)的煤炭埋深較淺，回采巷道幫部不用支護，后經(jīng)分析不對回采側(cè)幫進行支護。

(2)技術(shù)參數(shù)

第一，錨桿支護。在工作面頂板處，采用φ20mm×2200mm的鋼錨桿，間距為1000mm×900mm，每一排設(shè)置5根，配合使用樹脂藥卷。錨桿的托板使用Q235鋼質(zhì)托板，長度、寬度、厚度分別是100mm、100mm、8mm。錨桿的錨固力≥50kN，預(yù)緊力≥30kN。第二，錨索支護。在工作面頂板處，設(shè)置兩排φ15.24mm×6000mm的錨索，排距為2m，配合使用樹脂錨固劑。錨索的托盤使用Q235鋼質(zhì)托盤，長度、寬度、厚度分別是300mm、300mm、12mm，預(yù)緊力≥100kN，局部加強支護。另外，在巷道頂板鋪設(shè)鋼筋網(wǎng)，長度、寬度分別是4800mm、1100mm。

(3)穩(wěn)定性分析

支護結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，可以分為掘巷前、掘巷后、工作面采動三個階段。在掘巷后，應(yīng)力變化特征是：沿空掘巷時，巷道兩側(cè)圍巖的應(yīng)力分布有差異，垂直應(yīng)力在巷道頂板的影響明顯，峰值點變大；水平應(yīng)力在兩側(cè)峰值前移，窄煤柱一側(cè)的應(yīng)力變小。綜合起來，該支護方案的應(yīng)用，可有效控制巷道圍巖的穩(wěn)定性。總結(jié)起來，掘進開采過程中，煤柱存在彈性穩(wěn)定區(qū)，巷道圍巖的應(yīng)力疊加效應(yīng)小、變形量小，采用非錨桿+錨索支護方案是可行的。在回采作業(yè)時，巷道超前的一定范圍內(nèi)，頂板和幫側(cè)可能存在失穩(wěn)情況，是否在安全允許值內(nèi)，需要現(xiàn)場實際測量后進行判定。如果在安全允許值內(nèi)，說明該支護方案可行；如果超出安全允許值，需要對該支護方案進行改進。

4.窄煤柱回采時巷道的變形量

(1)設(shè)置監(jiān)測點

窄煤柱的寬度為5m，采用錨桿+錨索支護方案，為了探究對巷道圍巖變形的控制情況，在掘進開采中設(shè)置監(jiān)測點，現(xiàn)場測量圍巖裂隙發(fā)育、表面位移、頂板變化，以及錨桿載荷變化。監(jiān)測點的設(shè)置如下：在運輸巷中，距離巷道口50m作為第一個監(jiān)測點，其后每間隔100m設(shè)置一個監(jiān)測點，本巷道內(nèi)共設(shè)置4個監(jiān)測點。

(2)圍巖變形量

圍巖變形量見下圖2、圖3，分析可知：①巷道頂板部位，在前28天的變形量大；而兩幫部位，在前21天的變形量大。②開采28天后，巷道圍巖的變形減小，整體比較平緩，最后達到平衡狀態(tài)。③采用錨桿+錨索支護方案，巷道頂板的下沉量平均為45mm，而兩幫的位移量平均為38mm，這兩個數(shù)據(jù)均在允許范圍內(nèi)。④4個監(jiān)測點，在同一時間的測量結(jié)果相近，數(shù)據(jù)的變異性、離散性比較小，說明數(shù)據(jù)的代表性強。

圖2 巷道頂板的下沉量

圖3 巷道兩幫的位移量

(3)變形特點分析

該工作面在2020年6月開始回采，于12月結(jié)束。對回采期間的圍巖變形進行分析：①在工作面超前0m處，巷道的變形量最大，兩幫最大位移量為700m，頂?shù)装遄畲笪灰屏繛?3mm。②在工作面超前0～25m處，煤柱側(cè)幫中下部位的每層和巖層交界處，鼓幫現(xiàn)象明顯，最大位移量為330mm；巷道內(nèi)的局部片幫，最大深度為400mm，主要集中在巷道的中下部位。綜合分析結(jié)果，本次實測數(shù)據(jù)證實，錨桿+錨索支護方案，能滿足工作面回采時的安全要求，因此支護方案可行。

5.結(jié)語

綜上所述，中厚煤層在開采作業(yè)中，留窄煤柱沿空掘巷是一個比較常見的工藝，對巷道圍巖進行科學合理支護，才能保證施工安全。本次研究得到的結(jié)論有：（1）應(yīng)根據(jù)煤礦的地質(zhì)條件，采空區(qū)的影響，以及巷道埋深等因素，采用極限平衡法計算窄煤柱的寬度。（2）本次工程中，采用錨桿+錨索聯(lián)合支護方案，合理設(shè)置技術(shù)參數(shù)，能滿足巷道掘進和工作面回采的安全要求，圍巖變形和位移量均處于允許范圍內(nèi)。（3）隨著窄煤柱寬度變小，原煤生產(chǎn)量增加，在滿足安全生產(chǎn)的前提下，能提高煤礦的經(jīng)濟效益，可在類似礦區(qū)中推廣應(yīng)用。