近距離煤層孤島綜采沿空掘巷支護技術(shù)研究

翟振宇

（山西西山晉興能源有限責(zé)任公司斜溝煤礦，山西 興縣 033600）

1 孤島工作面概況

華苑煤業(yè)9 號、10 號煤層采用聯(lián)合開采方式，并在開采過程中采用跳采方式先后開采了10 號煤的10201 和10203 工作面和9 號煤的9201 和9203工作面，留下了10202 和9202 孤島工作面。

10202 孤島工作面位于二采軌道大巷西南，西北與首采的10201、9201 工作面采空區(qū)相鄰，西南面為村莊保安煤柱邊界，工作面東北面與10203、9203工作面采空區(qū)相鄰，蓋山厚度為330.1～484.7 m。10號煤層煤厚法范圍3.34～4.75 m，平均4.23 m；傾角范圍5°～9°；上距9 號煤層4.35～6.21 m，平均5.32 m。工作面回采長度2 000 m，工作面長度198.5 m。

10202 工作面的兩條順槽位于9 號煤層遺留煤柱的下方，10202 膠帶順槽、10202 軌道順槽分別位于10203 工作面、10201 工作面采空區(qū)圍巖穩(wěn)定后側(cè)向支承壓力增高區(qū)，還要遭受9 號煤區(qū)段煤柱支承應(yīng)力影響，工作面回采時又經(jīng)受采動影響，巷道圍巖承受壓力大，相應(yīng)會有較大變形，現(xiàn)場維護也較為困難。為達到改善巷道應(yīng)力環(huán)境、便于巷道支護維護以及增加煤炭資源回收的目的，確定留設(shè)6 m 寬的窄煤柱。因此，還需要在此基礎(chǔ)上對10202 孤島面順槽沿空掘巷支護技術(shù)進行進一步研究。

2 沿空掘巷支護設(shè)計原理

以10202 軌道順槽為研究對象，針對10202 軌道順槽變形破壞機理，并綜合巷道支護相關(guān)理論，對10202 軌道順槽進行支護設(shè)計原則主要包括以下幾個方面：

1）高強高預(yù)應(yīng)力錨索的應(yīng)用。利用錨索補強支護來提高巷道圍巖的綜合承載性能，提高頂板覆巖層間結(jié)合力，防止巷道肩角、幫角等位置遭到剪切破壞。

2）中空注漿錨索的應(yīng)用。強化及膠結(jié)破碎圍巖，提高圍巖承載結(jié)構(gòu)。

3）高阻讓壓單體液壓支柱輔助加強支護。采用高阻讓壓單體液壓支柱可以通過傳遞頂板高支承應(yīng)力來減緩頂?shù)装逡平徍拖锏绹鷰r變形調(diào)整。

3 沿空掘巷支護設(shè)計參數(shù)

10202 軌道順槽沿10 號煤層底板掘進，10202軌道順槽巷道斷面為4.0 m×3.6 m（寬×高），因此巷道頂板有厚度約0.6 m 頂煤。該巷道處于9 號煤層區(qū)段煤柱之下，會受到區(qū)段煤柱疊加支承應(yīng)力影響，并且該巷道一方面要服務(wù)于本工作面回采，另一方面受上層工作面的采動應(yīng)力的影響，巷道圍巖變形破壞會比較嚴重。結(jié)合10 號煤層現(xiàn)有的支護情況，確定數(shù)值模擬模型，比較支護試驗方案。

3.1 方案一（原支護方案）

1）頂板采用錨網(wǎng)索梁聯(lián)合支護形式。頂錨桿規(guī)格為Φ20 mm×2 500 mm 的高強度錨桿螺紋鋼，間排距900 mm×1 000 mm，配合規(guī)格為150 mm×150 mm×10 mm 的穹形鋼板托盤，安裝MSCKa2360 型、MSCKb2360 型樹脂錨固劑各1 支。錨索規(guī)格為Φ17.8 mm×8 200 mm 的7 股鋼絞線，垂直于頂板方向布置，間排距1 800 mm×2 000 mm，配合規(guī)格為250 mm×250 mm×16 mm 的穹形鋼板托盤，安裝1支 MSCKa2360型1卷型樹脂錨固劑、2 支MSCKb2360 型樹脂錨固劑。頂板網(wǎng)片采用Φ6.5 mm鋼筋網(wǎng)，尺寸2 000 mm×1 100 mm，網(wǎng)孔尺寸100 mm×100 mm。梯子梁采用Φ14 mm 鋼筋焊接制成，尺寸75 mm×3 400 mm，將卡欄焊接于梯子梁錨桿安裝位置，卡欄規(guī)格為76 mm×75 mm。

2）兩幫支護采用錨網(wǎng)索梁聯(lián)合支護形式。幫錨桿規(guī)格為Φ20 mm×2 500 mm 的高強度錨桿螺紋鋼，間排距為950 mm×1 000 mm，安裝MSCKa2360型、MSCKb2360 型樹脂錨固劑各1 支。梯子梁采用Φ14 mm 鋼筋焊接而成，尺寸75×3 200 mm，將卡欄焊接于梯子梁錨桿安裝位置，卡欄規(guī)格為76 mm×75 mm[1-2]。

3.2 方案二

頂錨桿規(guī)格為Φ22 mm×2 400 mm 的左旋螺紋鋼錨桿，間排距900 mm×1 000 mm，每排5 根。錨索規(guī)格為Φ22 mm×8 200 mm 的19 股鋼絞線，注漿錨索規(guī)格為Φ22 mm×8 300 mm 的SKZ22-1/860 mm型中空注漿礦用錨索，每排2 根，間排距1 800 mm×2 000 mm，注漿錨索與鋼絞線每排交替布置。幫錨桿規(guī)格為Φ22 mm×2 400 mm 的左旋螺紋鋼錨桿，間排距950 mm×1 000 mm，每排8 根；煤柱幫增打規(guī)格為Φ22 mm×4 300 mm 的注漿錨索，間排距1 200 mm×2 000 mm，每排2 根。

3.3 方案三

頂錨桿規(guī)格為Φ20 mm×2 500 mm 的左旋螺紋鋼錨桿，間排距為900 mm×1 000 mm，每排5 根；錨索規(guī)格為Φ21.8 mm×9 200 mm 的恒阻錨索，間排距1 400 mm×2 000 mm，“二三二”布置形式；幫錨桿規(guī)格為Φ20 mm×2 500 mm 的左旋螺紋鋼錨桿，間排距950 mm×1 000 mm，每排4 根，兩幫各增打兩根規(guī)格為Φ22 mm×6 200 mm 的注漿錨索。

4 數(shù)值模擬分析

4.1 數(shù)值模擬模型

通過FLAC3D 數(shù)值模擬軟件，在6 m 窄煤柱前提下，10202 軌道順槽采用三種不同支護方案下巷道垂直應(yīng)力、位移和圍巖塑性區(qū)等情況進行分析，比評出的最優(yōu)支護方案。10202 軌道順槽頂?shù)装鍘r石力學(xué)參數(shù)統(tǒng)計情況見表1。

表1 10202 軌道順槽頂?shù)装鍘r石力學(xué)參數(shù)統(tǒng)計

根據(jù)10202 工作面埋深情況，建立的數(shù)值模擬模型尺寸為408.6 m×300 m×95.8 m，均布載荷施加在模型上部邊界，固定模型其他其他五個邊界，煤巖體本構(gòu)模型采用Mohr-Coulomb 模型。

4.2 10202 軌道順槽變形規(guī)律

對10202 軌道順槽掘進期間進行數(shù)值模擬，圖1 所示為其圍巖變形規(guī)律。

圖1 10202 軌道順槽掘進期間圍巖應(yīng)力與變形情況

結(jié)合9203 采空區(qū)與10203 采空區(qū)的位置關(guān)系表明，二者距煤柱間的距離為14.6 m，即9 號遺留煤柱中的14.6 m 處于10203 采空區(qū)正上方。10202 軌道順槽沿空掘巷后，巷道所受的側(cè)向支承應(yīng)力峰值位置會轉(zhuǎn)移到煤體深部，實體煤幫的支承應(yīng)力要比原巖應(yīng)力大，但其應(yīng)力水平較低，巷道可處在應(yīng)力降低、增高交界位置，相對地此時其支護較為容易；同時，巷道水平位移與垂直位移量較小，塑性區(qū)分布較小，煤柱內(nèi)的破壞主要以剪切破壞為主。因此，針對10202 軌道順槽的支護方案，應(yīng)主要加固煤柱幫和頂?shù)装澹m當(dāng)對實煤體幫處進行支護即可。

4.3 不同支護方案下10202 軌道順槽數(shù)值結(jié)果分析

表2 所示為不同支護方案下垂直應(yīng)力、頂?shù)装寮皟蓭鸵平拷y(tǒng)計表。

表2 不同支護方案下數(shù)值模擬結(jié)果統(tǒng)計

結(jié)合數(shù)值模擬結(jié)果，方案一中的順槽煤柱幫變形極為嚴重，主要表現(xiàn)為垂直應(yīng)力集中程度大，位移量大，以及塑性區(qū)分布較為普遍，故若采用原支護方案則巷道后期維護成本極大。案二與方案三對于巷道加固均發(fā)揮了積極的作用，有效抑制了巷道變形，尤其是巷道煤柱幫區(qū)域的變形。但方案三不僅在實煤體幫也增加了注漿錨索，并且將頂板注漿錨索更改為恒組錨索，還增加了頂板錨索的數(shù)量，故其對巷道加固作用更為明顯，但其增加的支護成本較大[3-5]。

綜上所述，10202 軌道順槽采用方案二的支護方案最為合理，不僅可以充分發(fā)揮加固巷道的作用，還可以極大減小巷道支護成本的投入。10202 軌道順槽支護方案二如圖2 所示。

圖2 10202 軌道順槽支護方案二（單位：mm）