虎龍溝煤礦81511 工作面沿空掘巷技術研究

張亞軍

（晉能控股煤業公司挖金灣虎龍溝煤業有限公司，山西 懷仁 038300）

在煤礦沒有沿空留巷工藝時，綜采工作面的護巷煤柱留設寬度一般為20～30 m，用來改善巷道圍巖應用環境以控制變型。該技術方法巷道維護效果顯著，但會造成煤炭資源嚴重浪費。小煤柱沿空掘巷技術[1-5]具有提高煤炭回收率、緩解采掘接替緊張的優點，在厚煤層綜采工作面中應用非常廣泛。

1 工程概況

晉能控股煤業公司挖金灣虎龍溝煤礦位于山西省懷仁縣鵝毛口鎮，核定生產能力為120 萬t/a，開采面積為8.921 7 km2，主要開采石炭系5#、8#煤層。81511 工作面位于東盤區1060 m 水平，主采5#煤，煤層平均厚度為12.87 m，煤層平均傾角為2°。煤層直接頂為1.8 m 的高嶺石泥巖，基本頂為16.9 m 的粗砂巖，直接底為1.98 m 的砂質泥巖，基本底為4.21 m 的高嶺石。工作面設計采用綜采放頂煤采煤工藝，ZF13000/25/38 型綜放液壓支架106架，MG650/1630-WD 型雙滾筒采煤機1 臺，SGZ-800/800 型中雙鏈刮板輸送機1 臺。

此前，5#煤工作面的護巷煤柱留設寬度為30 m，造成資源嚴重浪費。因此，決定在81511 工作面正巷進行小煤柱沿空掘巷的工業性試驗。81511 工作面正巷巷道為矩形，巷道沿5#煤層底板掘進，尺度規格為寬度×高度=5000 mm×3600 mm。

2 小煤柱留設寬度的確定

2.1 理論計算

護巷煤柱的寬度過大，會造成煤炭資源浪費，寬度過窄會造成應力集中，無法控制沿空巷道圍巖。因此，必須設定合理的煤柱留設寬度。采用極限平衡理論可建立力學模型，如圖1。

圖1 最小護巷煤柱留設寬度計算模型圖

從圖中可知，81511 工作面正巷最小護巷煤柱留設寬度X的計算公式為：

X=x1+x2+x3

式中：X為最小護巷煤柱留設寬度，m；x1為上區段工作面開采中產生的塑性破壞區寬度，取2.05 m；x2為本巷道工作面開采產生的塑性破壞區寬度，取4.76 m；x3為安全寬度，一般x3=（0.15～0.45）（x1+x2）m。

經計算，81511 工作面正巷最小護巷煤柱留設寬度X為7.83～9.87 m。

2.2 數值模擬

基于小煤柱最小護巷煤柱留設寬度X的理論計算結果，分別選取7 m、8 m、9 m、10 m 煤柱方案，應用FLAC3D數值模擬軟件對不同煤柱寬度下巷道圍巖應力分布、塑性區分布進行數值模擬。

從數值模擬結果可知，當煤柱寬度從7 m 增加到10 m 的過程中，煤柱垂直應力峰值呈現為線性增長關系，但增長變化趨勢較緩。當7 m 煤柱時，垂直應力峰值最小，為17.55 MPa，小于原巖應力；當8 m 煤柱時，垂直應力峰值為18.51 MPa，此時與原巖應力相等。

當煤柱為7 m 時，煤柱內部完全破壞，由于煤層傾角的作用明顯，巷道煤柱側幫側壓較大，巷道底板大面積破壞；當煤柱為8 m 時，煤柱中部未破壞區域范圍擴大，圍巖完整區域擴大，煤柱穩定性好；當煤柱為9 m 時，煤柱中部未破壞區域范圍進一步擴大，圍巖完整區域進一步擴大，煤柱穩定性非常好；當煤柱為10 m 時，煤柱完整區域與巷道頂板圍巖區域連通，形成了一個整體，煤柱穩定性理想。

綜合煤柱垂直應力峰值和塑性區分布情況，81511 工作面沿空掘巷小煤柱最小護巷煤柱合理寬度為8 m，此時煤柱具有較好的承載能力，又可以不造成煤炭資源浪費。

3 巷道變形特征及控制機理分析

3.1 變形特征

巷道圍巖是由頂板、兩幫和底板組成的復合結構體，小煤柱巷道的失穩是其頂板、底板、回采幫和小煤柱幫變形到一定程度發生失穩。在巖體內開掘巷道后，其原有的應力場會重新分布，因此，巷道受到上工作面回采時超前支承壓力及側向支承壓力的影響發生形變；頂板巖層的塑性變形和上覆巖層離層位移的變化造成頂板下沉；巷道兩幫在進入塑性狀態后發生的失穩破壞現象加劇了頂板下沉量。煤巖體進入塑性狀態后將喪失承載能力，支撐頂板的能力降低，頂板離層、下沉速度變大，加劇兩幫的破壞，進而形成了“頂下沉-幫外鼓-頂下沉”的變形特征循環。

3.2 控制對策

從巷道變形特征可知，對于厚煤層巷道支護問題，應該從頂幫兩方面加強支護，其巷道變形控制對策為：

（1）采用高強錨桿支護系統對厚煤層沿空掘巷進行支護。高強度錨桿的應用，能減少頂板煤體裂隙的產生，抑制頂板的彎曲，減少塑性區的發展，進而有效維護巷道頂板的安全穩定。

（2）提高錨索性能。調整常規D17.8 mm 的7絲鋼絞線為新型1×19 結構D21.6 mm 鋼絞線，錨索的破斷載荷提高到510 kN，延伸率提高到7%，在破碎頂板巷道的支護效果較為理想。

3.3 控制技術

根據厚煤層巷道的變形特征及控制機理分析，提出了頂板、巷幫雙桁架支護技術，如圖2。

圖2 頂幫雙桁架支護原理

采用連接器將兩根頂錨索連接在一起，從而形成桁架，錨索與頂板之間形成了線接觸，載荷能在二者之間形成連續傳遞，進而提高煤巖體的抗變形能力。桁架錨索“凹槽形”結構，錨固區更大范圍煤巖體處于壓應力狀態，承載能力提高，形成強大的閉鎖結構，可以有效控制頂板剪切破壞與變形。

巷道兩幫錨索與槽鋼連接形成了幫錨索-槽鋼桁架，兩幫與槽鋼為面接觸形式，錨索施加較大預緊力可阻止煤幫的碎脹變形，利用錨索將煤幫淺表應力集中部位向深部轉移，從而可以有效地實現對煤幫變形的控制。

4 工業性試驗

4.1 支護設計

基于理論計算和FLAC3D數值模擬結果，確定了81511 沿空掘巷小煤柱護巷煤柱寬度為8 m。81511 正巷的支護方案與支護參數如圖3。

圖3 虎龍溝煤礦81511 工作面正巷支護方案（mm）

4.1.1 頂板支護

（1）錨桿支護。頂錨桿為Ф22 mm×2400 mm 型左旋無縱筋的高強螺紋鋼錨桿，鋼材牌號BHRB500，破斷載荷210.5 MPa，屈服強度500 MPa，2 節CK2360 型樹脂藥卷加長錨固，錨桿間排900 mm，錨桿排距900 mm，每排布置5 根，采用W 鋼帶連接，規格為：長×寬×厚=4800 mm×100 mm×5 mm。

（2）錨索支護。頂錨索采用桁架錨索與單體錨索聯合支護，“三·三”交替布置。錨索桁架Ф21.6 mm×9400 mm，1×19 股高強度延伸率預應力絲鋼絞線制作，鉆孔深度8000 mm，采用3 節CK2360和2 節Z2360 樹脂藥卷加長錨固。桁架錨索底板跨距2000 mm，兩根錨索向巷道兩幫傾斜15°。

4.1.2 巷幫支護

（1）錨桿支護。幫錨桿為Ф22 mm×2400 mm 型左旋無縱筋的高強螺紋鋼錨桿，采用1 節CK2360 和1 節CK2335 樹脂藥卷加長錨固，錨桿間排800 mm，錨桿排距900 mm。煤幫布置5 根，采用梯子梁連接，梯子梁采用2 根Ф16 mm、2500 mm 的長鋼筋棍加工，中間間隔350 mm 使用鋼筋棍加工成橫梁，兩端使用100 mm 的鋼筋棍封閉。

（2）錨索支護。回采幫錨索為單體錨索，錨索為Ф17.8 mm×4300 mm，鉆孔深度為4000 mm，采用3 節CK2360 樹脂藥卷加長錨固，錨索排距為1800 mm。煤柱幫布置2 根，上位錨索距頂1000 mm，錨索間距為1500 mm，2 根之間采用16 號槽鋼進行連接，排距1800 mm。

4.2 應用效果

采用“十字布點法”在81511 正巷布置表面位移測站，測站間距50 m，數據讀取和記錄為2 d/次，監測時間為40 d。3 號測站觀測結果如圖4。

圖4 巷道圍巖表面位移觀測結果

由圖中可知，在巷道掘進的前27 d 時間內，巷道表面位移量增長較快，頂板下沉值增大至38 mm，兩幫收斂值增大至21 mm。在22～40 d 時，巷道圍巖變形已能基本趨于穩定，頂板下沉最大值為44.3 mm，兩幫收斂最大值為22.8 mm。

5 結論

基于理論計算和數值模擬結果確定了81511 厚煤層工作面小煤柱的合理寬度為8 m，提出了沿空掘巷桁架錨索支護方案，巷道圍巖變形在允許范圍內，能夠有效地保障81511 工作面的開采安全。