龐龐塔礦特厚煤層沿空掘巷技術研究與應用

楊云剛，靳曉偉，閔偉森

（霍州煤電集團呂臨能化有限公司龐龐塔煤礦，山西 臨縣 033200）

0 引 言

隨著開采時間的延長和開采強度的增大，煤礦的開采深度加大，原巖應力變大，工作面之間的區段保護煤柱的寬度也越來越大。過寬的煤柱尺寸不僅造成了資源的浪費而且形成了應力集中，對下組煤的回采造成了困難。為此，沿空掘巷、沿空留巷等窄煤柱甚至無煤柱護巷技術得到了廣泛的應用[1-4]?；糁菝弘婟孆嬎V10 號煤為特厚煤層，在一采區、七采區回采時煤柱寬度為20 m。為提高資源的回收率，決定在10 采區進行沿空掘巷的實驗。

1 工程概況

霍州煤電龐龐塔礦的可采煤層有5上、5、10 號煤層，其中10 號煤的見煤點厚度為3.6～13.3 m，平均11.8 m，屬特厚煤層。煤層平均傾角15°，結構復雜，一般含1～4 層0.2 m 左右的炭質泥巖夾矸。煤層蓋山厚度322～409 m，頂底板情況如圖1 所示。

圖1 10 號煤頂底板巖性

10 號煤瓦斯含量較小，無自燃現象，但煤塵具有爆炸性。10-101 工作面采用綜合機械化走向長壁放頂煤開采，割煤高度3.0 m，放煤高度8.8 m，工作面長度200 m。10-101 工作面位于10 采區，其中1012 巷為工作面運輸巷，巷道斷面為矩形，規格為4 700 mm×3 500 mm，擬進行沿空掘巷的實驗。

2 煤柱寬度的理論計算

沿空掘巷的關鍵在于合理確定區段保護煤柱的寬度，寬度大，不僅造成煤炭資源的浪費，而且煤柱長期出于側向支承壓力影響范圍內，不利于巷道的穩定，寬度小則自身穩定性差，鼓幫嚴重，影響巷道的正常使用。

2.1 塑性區寬度的計算

工作面推進一定距離之后，工作面開切眼及支架后方的頂板首先出現斷裂線，隨著繼續推進，兩巷處的頂板斷裂，并最終與長邊的斷裂線貫通，由此工作面初次來壓。之后隨著繼續推進，頂板周期性垮落，不斷形成新的結構塊。巷道直接頂、基本頂及上覆巖層形成大結構，而巷道的錨桿索支護體等形成小結構，大小結構共同維持巷道的穩定[5-6]。

沿空掘巷時，工作面頂板垮落后，在實體煤側形成固支，破斷線呈弧形，形成弧形三角塊B，該巖塊對留巷的穩定性影響最大，為關鍵塊。研究該關鍵塊的參數，是合理確定煤柱合理寬度的前提。

關鍵塊B 的參數主要包括走向和傾向的長度以及破斷位置等，如圖2 所示。

圖2 關鍵塊B 的主要參數示意圖

式中，m為工作面采高；A為側壓系數；φ0為煤體內摩擦角；C0為煤體內聚力；K為應力集中系數；γ為上覆巖層容重；H為巷道埋深；Pz為上區段煤幫支護阻力。

代入以上數據，計算得X0=4.7 m。

2.2 區段煤柱寬度計算

采用極限平衡理論計算區段保護煤柱的寬度B，如式（2）所示。

式中：X1為巷道掘進產生的塑性區半徑；k為富余系數，一般取1.15～1.35。

根據龐龐塔礦10 號煤的具體條件，代入計算可得，區段保護煤柱的寬度為6.5～9.5 m。

3 數值模擬分析

3.1 巖石力學參數的確定

為確定10 號煤層頂底板的巖石力學參數，為數值模擬提供基礎數據，在井下打鉆取芯，實驗室進行了力學參數的測試，結果如表所示。

表1 10 號煤頂底板巖石力學參數

3.2 上工作面回采的影響

采用FLAC3D軟件對不同煤柱寬度、不同巷道狀態下的應力情況進行數值模擬分析。模型尺寸為500 mm×300 m，未模擬巖層按等效載荷代替。模型中層理弱面用INTERFACE 模擬。

工作面回采過后，周邊的圍巖應力重新分布，出現卸壓和應力集中的區域，工作面上端頭側的應力分布如圖3 所示。

圖3 端頭應力分布云圖

由圖可以看出，卸壓區域主要集中在工作面頂板，而工作面端頭則出現了應力集中，且9 m 范圍之內為卸壓區，9～16 m 為應力集中區，即圖中的藍色區域，最高垂直應力達到31 MPa。

根據上工作面回采后的應力分布特征，并結合理論計算的結果，煤柱寬度應在6.5～9.0 m 范圍之內。為此，在原模型的基礎上對 6、7、8、9 m 不同煤柱寬度下的二次回采影響下應力分布特征進行分析。

3.3 本工作面回采影響

數值模擬結果表明，受本工作面回采影響，不同尺寸的區段保護煤柱均有較大變形，取煤層底板以下3 m 沿傾向作1 條觀測線，繪制垂直應力分布曲線，各方案的應力分布曲線見圖4。

圖4 不同煤柱寬度下垂直應力分布

對比發現，不同煤柱寬度下的底板圍巖應力均低于原巖應力，處于應力降低區。隨著寬度的增大，區段保護煤柱中部逐漸出現了有利于煤柱穩定的彈性核區，其中9 m 煤柱時彈性核區的寬度最大，為2.0 m，并且彈性和區的能量由6 m 煤柱時的5 500 J 增長至15 000 J，煤柱的承載能力明顯提高。并且隨著寬度在增大，應力傳播曲線發生較大變化，煤柱寬度9 m 時，應力傳播曲線呈平底狀，可以承受較高的應力。

綜合理論計算和數值模擬分析的結果，確定龐龐塔礦10 號煤特厚煤層綜放工作面沿空掘巷的區段保護煤柱為9.0 m。

4 沿空掘巷支護方案及應用效果

4.1 支護方案

結合理論計算和工程類比，并利用FLAC3D進行模擬分析對比，最終確定10-1012 巷的支護方案如圖5 所示。

圖5 2-105 運輸巷巷支護方案

4.1.1 頂板支護

1）錨桿支護。頂錨桿為φ20 mm×2 400 mm 的左旋無縱筋高強螺紋鋼錨桿，配CK2335 和CK2360樹脂藥卷各1 卷錨固，每排布置6 根，間排距為800 mm×900 mm。每排錨桿用厚度5 mm 的W 鋼帶連接。

（2）錨索支護。頂錨索規格為φ21.6 mm×9 400 mm，采用1×19 絲鋼絞線制成。鉆孔深度為9 m，配3 卷CK2360 樹脂藥卷錨固。錨索呈“五花”布置，排距為0.9 m。

4.1.2 巷幫支護

實體煤幫采用φ20 mm×2 000 mm 左旋無縱筋螺紋鋼錨桿，配1 卷CK2360 樹脂錨固劑，間排距為900 mm×900 mm，最上位錨桿距頂300 mm，每排4根，兩端的錨桿分別向上和向下傾斜15°，其余垂直巷幫布置。

回采煤幫采用玻璃鋼錨桿，錨桿布置和錨固劑用量等參數與實體煤幫相同。

4.2 應用效果

10-1012 巷掘進過程中設置測站，采用十字布點法對巷道表面位移進行觀測。其中3 號測站位于開后以里100 m 處，其觀測結果如圖8 所示。

圖8 3 號測站礦壓觀測結果

由于可以看出，成巷后巷道變形平緩，變形的階段性特征不明顯，兩幫收斂的最大速度約為6 mm/d，頂板下沉的最大速度約為4 mm/d。掘進32d后巷道變形基本穩定，頂板最大下沉約為22 mm，兩幫收斂約為42 mm。

安裝的頂板離層指示儀顯示，頂板淺部出現離層，離層值約為11 mm，深度基點穩定，為巷道上方頂煤出現整體下沉。

5 結 論

（1）工作面頂板垮落后，破斷線為弧形，在巷道邊緣形成弧形三角塊B，該巖塊對留巷的穩定性影響最大，為關鍵塊。

（2）區段保護煤柱中部彈性核區的寬度與煤柱寬度近似呈正比，結合理論計算，確定10-1012 巷的區段保護煤柱寬度為9.0 m。

（3）龐龐塔礦10-1012 巷沿空掘巷的礦壓觀測表明，巷道表面位移小、深度基點穩定，可滿足生產的要求，為特厚煤層沿空掘巷設計提供參考。