簡述中厚煤層留窄煤柱沿空掘巷支護(hù)技術(shù)

＊李樹仁

（晉中長泰安全科技有限責(zé)任公司 山西 030600）

1.項(xiàng)目概況

(1)項(xiàng)目背景

以某煤礦區(qū)30100工作面為研究對象，30100工作面的深度為100m，東側(cè)為工作面開切眼，西南側(cè)和北側(cè)均為采空區(qū)，東南側(cè)則是井田邊界。30100工作面采用的現(xiàn)代機(jī)械化采煤工藝，整體走向長度是1048m，傾向長度是210m。由于30100工作面為窄煤柱沿空掘巷實(shí)驗(yàn)工作面，為保證采煤工作順利進(jìn)行，現(xiàn)需要沿著北側(cè)采空區(qū)的運(yùn)輸巷預(yù)留出適當(dāng)寬度的窄煤柱。

(2)地質(zhì)情況

對30100工作面煤層頂?shù)装宓刭|(zhì)情況進(jìn)行調(diào)查分析，主要分為基本頂、直接頂、直接底和基本底。具體的地質(zhì)情況為：①基本頂?shù)膸r性為粉砂巖，平均厚度是8.5m，基本頂?shù)奶卣鞅憩F(xiàn)為泥質(zhì)膠結(jié)，局部存有粉砂巖薄層；②直接頂?shù)膸r性為粉砂質(zhì)泥巖，平均厚度是1m，其表現(xiàn)特征大致與基本頂相同，但比基本頂要容易垮落；③直接底的巖性和平均厚度與直接頂一致，但表現(xiàn)特征不同，其呈塊狀層發(fā)育，且局部存有細(xì)砂巖薄層；④基本底的巖性與直接底一致，但平均厚度是4m，特征表現(xiàn)為塊狀層理，硬度中等。

2.中厚煤層留窄煤柱沿空掘巷支護(hù)技術(shù)要點(diǎn)

(1)窄煤柱寬度的合理確定

窄煤柱寬度的合理確定是中厚煤層留窄煤柱沿空掘巷支護(hù)技術(shù)的關(guān)鍵之一。對于窄煤柱寬度的確定，考慮基本頂是對沿空掘巷穩(wěn)定性影響最大的巖層，所以需要充分考慮區(qū)段中基本頂破斷位置深入到煤壁的距離，并對其斷裂后所形成的弧形三角結(jié)構(gòu)運(yùn)動以及對沿空掘巷圍巖穩(wěn)定性影響規(guī)律深入進(jìn)行研究。基本頂斷裂后形成的弧形三角結(jié)構(gòu)運(yùn)動如圖1所示。另外，考慮沿空掘巷三角結(jié)構(gòu)運(yùn)動的穩(wěn)定性也會受到基本頂在側(cè)向煤壁內(nèi)的斷裂位置影響，主要體現(xiàn)在應(yīng)力分布規(guī)律、窄煤柱寬度、巷道圍巖完整性上，其中窄煤柱寬度是重點(diǎn)關(guān)注對象。

圖1 沿空掘巷三角結(jié)構(gòu)模型

為合理確定窄煤柱寬度，先將基本頂以上的軟弱巖層視作應(yīng)力荷載，隨著工作面采動的影響，圖1中B的上部軟弱巖層會與其硬巖層相分離，且無法進(jìn)行力的傳遞。在工作面回采后，基本頂破斷位置基本在煤體彈塑性交接位置。為獲取斷裂位置深入煤壁的距離，可采用公式計(jì)算，在公式中，m表示工作面采高，取值是2m；A是測壓系數(shù)，取值為0.25；φ0表示煤體內(nèi)摩擦角度，取值為30°；C0表示煤體黏聚力，取值是4MPa；K表示應(yīng)力集中系數(shù)，取值為1.5；γ是上覆巖平均容重?cái)?shù)，參數(shù)為18MN/m3；H表示巷道的埋設(shè)，即100m；Pz表示的是上區(qū)段工作面煤層的支護(hù)強(qiáng)度，參數(shù)為0.25MPa。在確定這些參數(shù)后，將其帶入到上述公式中計(jì)算，可得知x0為2.53m。

在確定上區(qū)段基本頂破斷位置深入煤壁的距離后，根據(jù)極限平衡理論進(jìn)行窄煤柱寬度的合理確定。具體的公式為B=x1+x2+x3，其中，用B來表示窄煤柱寬度；用x1來表示采空區(qū)影響的塑性寬度；用x2來表示窄煤柱幫采用的錨桿有效長度，參數(shù)為1.3m～1.8m；用x3來表示窄煤柱寬度的富裕系數(shù)。為了能夠充分保證窄煤柱的穩(wěn)定性，x3取0.2（x1+x2）。由于x1=x0，通過整合上述兩個(gè)公式，可獲得合理窄煤柱寬度B為4.83～5.55m，取整是5m。

(2)支護(hù)方案的設(shè)計(jì)

①支護(hù)方式及支護(hù)參數(shù)確定

在運(yùn)用沿空掘巷支護(hù)技術(shù)時(shí)，還需要充分考慮支護(hù)方式及支護(hù)參數(shù)的合理性，這也是保證巷道支護(hù)穩(wěn)定性的重要因素之一，更是保證綜采工作面安全回采的關(guān)鍵之一。針對窄煤柱寬度為5m，在設(shè)計(jì)巷道支護(hù)方案時(shí)，項(xiàng)目組采用了綜合支護(hù)方式，主要包括窄煤柱側(cè)錨桿支護(hù)、頂板錨桿支護(hù)和錨索聯(lián)合支護(hù)，同時(shí)綜合支護(hù)的方式在巷道內(nèi)建立起一個(gè)完整的承載體系，以此對巷道巖體進(jìn)行主動支護(hù)。而根據(jù)30100工作面煤層頂?shù)装宓刭|(zhì)情況，在進(jìn)行工作面輔助運(yùn)輸巷斷面設(shè)計(jì)時(shí)，其形狀為矩形，規(guī)格為5m×2.4m。具體的支護(hù)參數(shù)如圖2所示。

圖2 巷道斷面設(shè)計(jì)支護(hù)參數(shù)

A.錨桿支護(hù)的參數(shù)。在頂板使用規(guī)格為φ20mm×2200mm的左旋螺紋鋼錨桿，排間距是1000mm×900mm，每排設(shè)置5根錨桿，為穩(wěn)固錨桿，同時(shí)還配合使用了國家標(biāo)準(zhǔn)的Q235鋼托板，其規(guī)格是100m×100m×8mm。所設(shè)計(jì)的錨桿固力＞50kN，預(yù)緊力＞30kN。

B.錨索支護(hù)的參數(shù)。錨索布置的位置是頂板，規(guī)格為φ15.24mm×6000mm，共設(shè)置了兩排，排間距是2m，同樣為了穩(wěn)固錨索，也配合使用了國家標(biāo)準(zhǔn)的Q235鋼托板，規(guī)格與錨桿使用的有所不同，規(guī)格為12mm×300mm×300mm鋼托板。為達(dá)到有效的支護(hù)效果，設(shè)計(jì)的錨索預(yù)緊力＞100kN，并需要在頂板處鋪設(shè)一層6mm鋼筋網(wǎng)，網(wǎng)孔的規(guī)格是100mm× 100mm，網(wǎng)片規(guī)格是1100mm×4800mm。

②支護(hù)方案的穩(wěn)定性分析

在基于30100工作面地質(zhì)條件的基礎(chǔ)上，對支護(hù)方案的穩(wěn)定性進(jìn)行分析，也就是對工作面沿空掘巷預(yù)留的窄煤柱穩(wěn)定性進(jìn)行分析，具體通過模擬的方法，模型為150m×120m×39m，通過模型底部限制垂直移動、上部施加覆巖等效載荷、煤采深100m，獲取巷道煤巖層的物理學(xué)參數(shù)，具體見表1。

表1 煤巖物理力學(xué)參數(shù)

根據(jù)上述模擬數(shù)值，對巷道掘進(jìn)后支護(hù)穩(wěn)定性及工作面采動后的巷道支護(hù)穩(wěn)定性進(jìn)行分析。首先，對巷道掘進(jìn)后支護(hù)穩(wěn)定性進(jìn)行分析，在窄煤柱寬度為5m時(shí)，巷道兩側(cè)圍巖應(yīng)力分布有明顯的差異，且垂直應(yīng)力在巷道頂板影響范圍增大，水平應(yīng)力在巷道兩側(cè)的峰值出現(xiàn)遷移，且屬于煤巖層強(qiáng)度允許的范圍內(nèi)，由此可見實(shí)施這一支護(hù)方案，可以有效控制掘進(jìn)巷道圍巖的穩(wěn)定性。其次，對工作面采動后的巷道支護(hù)穩(wěn)定性進(jìn)行分析，在窄煤柱寬度為5m時(shí)，觀察發(fā)現(xiàn)巷道兩側(cè)的圍巖應(yīng)力分布有非常明顯的差別，且在實(shí)體煤側(cè)較為集中，這表明煤壁有失穩(wěn)的可能性。為確保其是否在安全允許的范圍內(nèi)，通過現(xiàn)場實(shí)測的方式進(jìn)行確定，在具體的實(shí)測中，重點(diǎn)對圍巖裂隙發(fā)育情況、表面位移情況、頂板離層情況及錨桿荷載情況進(jìn)行分析。共設(shè)置了4個(gè)實(shí)測站，第一個(gè)測站設(shè)置在巷道口50m處，之后每隔100m設(shè)置1個(gè)測站。經(jīng)過現(xiàn)場實(shí)測后，30100工作面回采期間，綜采工作面機(jī)尾超前0m處時(shí)巷道變形最大，兩幫最大移近量是700mm，頂?shù)装遄畲笠平渴?3mm；而對于30100工作巷超前50m的兩幫移近量和頂板移近量。

通過分析可知，采用寬度為5m的窄煤柱沿空掘巷支護(hù)方案，能夠滿足工作面安全回采的需求。

3.結(jié)論

本文結(jié)合以某煤礦工作面為研究背景，對窄煤柱沿空掘巷技術(shù)進(jìn)行了分析，得知該技術(shù)應(yīng)用的關(guān)鍵在于窄煤柱寬度的合理確定及其支護(hù)方案的合理設(shè)計(jì)。通過分析得知，窄煤柱寬度為5m，窄煤柱沿空掘巷圍巖支護(hù)方案采用了綜合支護(hù)方案，包括窄煤柱側(cè)錨桿支護(hù)、頂板錨桿支護(hù)和錨索聯(lián)合支護(hù)。為了確保這一支護(hù)方案達(dá)到理想的效果，基于窄煤柱沿空掘巷圍巖結(jié)構(gòu)特征的基礎(chǔ)上，通過模擬數(shù)值對巷道掘進(jìn)后支護(hù)穩(wěn)定性及工作面采動后的巷道支護(hù)穩(wěn)定性進(jìn)行分析，先是確定支護(hù)方案及其參數(shù)，檢查是否符合巷道掘進(jìn)及工作面安全回采的要求，之后在進(jìn)行現(xiàn)場實(shí)測，經(jīng)過現(xiàn)場實(shí)測后發(fā)現(xiàn)，采用5m寬度的窄煤柱沿空掘巷支護(hù)技術(shù)，可滿足現(xiàn)場安全生產(chǎn)的需求，且有較顯著的經(jīng)濟(jì)效益，因此值得在類似礦井中推廣應(yīng)用。