騰暉礦沿空掘巷技術(shù)支護(hù)應(yīng)用

錢炳均

（霍州煤電集團(tuán)河津騰暉煤業(yè)有限責(zé)任公司，山西 河津 043300）

窄煤柱護(hù)巷作為一種回采巷道布置方式，具有巷道維護(hù)簡單、資源回收率高的優(yōu)點(diǎn)，近年來得到了廣泛的應(yīng)用[1-2]。霍州煤電騰暉煤業(yè)主采煤層為2號煤，為優(yōu)質(zhì)的貧瘦煤；為了提高煤炭資源的回收率，決定降低區(qū)段護(hù)巷煤柱的尺寸，在騰暉礦2-105工作面進(jìn)行沿空掘巷的試驗(yàn)。

1 試驗(yàn)工作面概況

擬進(jìn)行窄煤柱護(hù)巷試驗(yàn)的2-105 工作面位于一采區(qū)，北部為已經(jīng)回采的2-104 工作面，西部為礦井邊界，東部為采區(qū)巷道。工作面埋藏深度353～485 m。2 號煤層賦存穩(wěn)定，傾角平緩，平均厚度為5.2 m，局部厚度有變化，含0-2 層夾矸，夾矸厚度約0.1 m。工作面頂?shù)装鍘r性見圖1。

圖1 2 號煤頂?shù)装鍘r性

工作面采用走向長壁放頂煤開采，走向長度640 m，傾斜長度120 m，工作面布置見圖2。工作面運(yùn)輸巷為矩形，斷面為5.0 m×3.0 m（寬×高），沿煤層底板掘進(jìn)，錨網(wǎng)支護(hù)，擬進(jìn)行窄煤柱護(hù)巷的試驗(yàn)。

圖2 試驗(yàn)巷道平面布置

2 護(hù)巷煤柱寬度的確定

2.1 理論分析

工作面開采和巷道開掘后，在煤壁產(chǎn)生塑性區(qū)，護(hù)巷煤柱的寬度應(yīng)大于塑性區(qū)的距離并保證一定的富余系數(shù)，見圖3[1-4]。

圖3 最小護(hù)巷煤柱寬度計(jì)算

最小護(hù)巷煤柱寬度B 為：

式中：x1為2-104 工作面開采而產(chǎn)生的塑性區(qū)寬度，m；x2為2-105 運(yùn)輸巷掘進(jìn)而產(chǎn)生的塑性區(qū)寬度，m；x3為增加的保護(hù)煤柱的寬度，m，一般取值為兩個塑性區(qū)寬度之和的15%～35%。

x1、x2下式計(jì)算：

R1為塑性區(qū)半徑，計(jì)算公式如下：

式中：m 為巷道高度，m；α 為煤層傾角，°；A 為側(cè)壓系數(shù)，A=μ/（1-μ），μ 為泊松比，取0.39；K 為應(yīng)力集中系數(shù)；H 為埋深，m；φ0為煤體內(nèi)摩擦角，°；C0為煤體粘結(jié)力，MPa；γ 為巖層容重，kN/m3；p0為支護(hù)阻力，MPa；R0為井巷等效半徑，m。

根據(jù)以上條件，可以計(jì)算得到x1=2.36 m，x2=3.58 m，由此確定合理的護(hù)巷煤柱寬度為6.6～7.7 m。

2.2 數(shù)值模擬

根據(jù)理論計(jì)算的結(jié)果，采用FLAC3D對4～9 m不同區(qū)段保護(hù)煤柱下的巷道表面位移進(jìn)行計(jì)算分析，計(jì)算結(jié)果見圖4。

圖4 不同煤柱寬度時圍巖變形量

圖4表明，隨著護(hù)巷煤柱尺寸的增加，巷道變形先減小后增大，并且頂?shù)装逦灰坪蛢蓭鸵平康淖兓厔莼鞠嗤．?dāng)煤柱寬度在7 m以下時，隨著煤柱尺寸的增加，巷道表面位移逐漸減少，分析是由于此時巷道處于側(cè)向支承應(yīng)力的降低區(qū)內(nèi)。而超過7 m后，煤柱尺寸的增加造成位移的增加，此時巷道所處的位置已經(jīng)位于支承壓力區(qū)內(nèi)，受原巖應(yīng)力的影響較大，因此巷道變形量變大。

綜合以上理論計(jì)算和數(shù)值模擬研究結(jié)果，確定騰暉礦2-105 工作面護(hù)巷窄煤柱的合理寬度為7 m。

3 掘巷支護(hù)設(shè)計(jì)

3.1 無支護(hù)狀態(tài)數(shù)值模擬

利用建立的FLAC3D模型，得到無支護(hù)狀態(tài)的2-105 工作面順槽的塑性區(qū)分布見圖5。

圖5 無支護(hù)狀態(tài)下塑性區(qū)分布

由圖可以看出：無支護(hù)狀態(tài)下，工作面運(yùn)輸順槽的兩幫和頂板均有一定范圍的塑性區(qū)發(fā)育，主要破壞形式為剪切和拉伸破壞，其中巷道兩幫剪切破壞尤為明顯。巷道頂板淺部約1.9 m處既有拉伸破壞也有剪切破壞，1.9 m以上以拉伸破壞為主，頂板破壞范圍在7 m以內(nèi)。

分析可知，2-105 工作面窄煤柱護(hù)巷支護(hù)設(shè)計(jì)應(yīng)該以頂板為主，且支護(hù)高度應(yīng)該大于7 m。巷道底板相對穩(wěn)定，僅底角正下方及淺部發(fā)生剪切破壞，支護(hù)設(shè)計(jì)時可不予考慮。

3.2 主要支護(hù)參數(shù)的確定

以錨索的長度、排距及頂錨桿的數(shù)量為關(guān)鍵指標(biāo)，采用FLAC3D軟件對不同指標(biāo)選取下的巷道表面位移進(jìn)行模擬，正交模擬方案見表1[5]。

表1 正交模擬方案

以錨索長度為例，不同錨索長度下巷道變形量的數(shù)值模擬結(jié)果見圖6。

圖6 錨索長度與巷道表面位移關(guān)系

由圖可以看出，隨著錨索長度的增加，巷道的底臌量幾乎保持不變，巷道頂板和兩幫變形量呈現(xiàn)逐漸降低的趨勢，但降低速率不同。當(dāng)錨索長度小于8 m時，隨著長度的增加，頂板下沉和兩幫收斂迅速減少，但當(dāng)錨索長度由8 m變?yōu)? m時，巷道變形幾乎保持不變。因此，錨索長度為8.0 m時，錨索能較好地控制巷道圍巖變形量。

按照以上方法確定錨索的排距為0.9 m，頂錨桿數(shù)量為6 根。

3.3 窄煤柱護(hù)巷支護(hù)方案

在數(shù)值模擬的基礎(chǔ)上，結(jié)合理論計(jì)算和工程類比，最終確定支護(hù)方案見圖7。

圖7 2-105 運(yùn)輸巷巷支護(hù)方案

（1）頂板支護(hù)

a、錨桿支護(hù)

頂錨桿為Φ18 mm×2 400 mm的高強(qiáng)螺紋鋼錨桿，每根錨桿使用兩卷Z2360 樹脂錨固劑；間排距為0.9 m×0.9 m，每排布置錨桿6 根，靠近煤幫的兩根錨桿向外傾斜15°，其余垂直頂板。每排錨桿用W鋼帶相連，規(guī)格為4 800 mm×100 mm×5 mm（長×寬×厚）。

b、錨索支護(hù)

頂錨索規(guī)格為Φ17.8 mm×8 400 mm，鉆孔深度8.0 m。使用三卷Z2360 數(shù)值錨固劑。錨索呈“五花”布置。

（2）巷幫支護(hù)

實(shí)體煤幫采用Φ18 mm×2 000 mm左旋無縱筋螺紋鋼錨桿，配一卷Z2360 樹脂錨固劑，間排距為800 mm×900 mm，每排最上位和最下位錨桿分別向上和向下傾斜15°，其余垂直巷幫布置。

回采煤幫采用Φ18 mm×2 000 mm的玻璃鋼錨桿，其他參數(shù)與實(shí)體煤幫相同。

4 礦壓觀測

2-105 運(yùn)輸巷掘進(jìn)過程中設(shè)置測站，對巷道表面位移和頂板離層進(jìn)行觀測，驗(yàn)證沿空掘巷效果，其中測站3 的觀測結(jié)果見圖8。

圖8 三號測站礦壓觀測結(jié)果

由圖8可以看出，巷道掘進(jìn)后10 d內(nèi)變形量比較大，為巷道劇烈變形期，此階段的底臌量為113 mm，頂板下沉量為36 mm，兩幫收斂達(dá)到180 mm。10 d之后，變形速率逐漸減低，到50d左右基本穩(wěn)定。

由于巷道底板未采取任何支護(hù)措施，巷道變形穩(wěn)定后底臌量相對較大，為206 mm，但對生產(chǎn)影響較小。巷道頂板穩(wěn)定，最終下沉不足50 mm，留巷支護(hù)取得了較好的效果。

頂板離層觀測表明，巷道離層值較小，淺部和深度未出現(xiàn)明顯下沉。

5 結(jié)論

1）通過理論計(jì)算和數(shù)值模擬，確定騰暉礦2-105 工作面窄煤柱的最佳寬度為7 m。

2）以巷道表面位移為評價指標(biāo)，以錨索長度、間排距等為關(guān)鍵因素，采用數(shù)值模擬的方法確定錨索長度為8.0 m，排距為0.9 m。

3）2-105 工作面沿空掘巷的礦壓觀測表明，巷道頂板穩(wěn)定，變形以底臌為主，最大底臌量為206 mm，無需臥底，滿足了生產(chǎn)要求，可為類似條件下窄煤柱護(hù)巷設(shè)計(jì)提供參考。