燕子山礦5208巷小煤柱沿空掘巷圍巖控制技術(shù)應(yīng)用

程 帥

（晉能控股煤業(yè)集團(tuán)燕子山礦，山西 大同 037037）

我國的能源結(jié)構(gòu)特征呈現(xiàn)富煤貧油少氣的局面。我國煤炭儲量居世界前列，受資源賦存影響，一直以來我國將煤炭作為主要消費(fèi)能源，且短期內(nèi)煤炭的主體消費(fèi)能源地位不會改變[1-2]。隨著國民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，煤炭需求量不斷增加，賦存條件較好的煤炭資源逐漸開采殆盡。在以往工作面開采時(shí)，相鄰工作面之間一般留設(shè)20～30 m的煤柱，造成了極大煤炭資源的浪費(fèi)，為此國內(nèi)外專家學(xué)者提出了無煤柱開采技術(shù)，目前已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用的有沿空掘巷和沿空留巷技術(shù)。其中，沿空掘巷是在鄰近上區(qū)段工作面采空區(qū)留設(shè)較窄的煤柱，新掘下區(qū)段工作面回采巷道，既可提高煤炭回收率，又將回采巷道布置在應(yīng)力降低區(qū)域，可以改善巷道圍巖維護(hù)環(huán)境[3-5]。

1 工程概況

燕子山礦5208巷服務(wù)于8208回采工作面，作為回采期間的回風(fēng)和輔助運(yùn)輸。工作面位于4#層302盤區(qū)，西部為4#層可采邊界線，南部為4#層8206設(shè)計(jì)工作面，東部為4#層盤區(qū)巷，北部為8210采空區(qū)，地面標(biāo)高1 335.4～1 430.5 m，井下標(biāo)高818～958 m。工作面開采山4#煤層，煤層結(jié)構(gòu)復(fù)雜，煤層厚度為5.12～9.34 m，煤層大致走向東西，傾向北，傾角為2°。煤層基本頂為高嶺巖、粗、細(xì)砂巖、礫巖，厚度5.80～30.72 m，平均厚度13.56 m；直接頂為中、細(xì)砂巖、高嶺巖、礫巖，厚度6.26～10.65 m，平均厚度8.80 m；直接底為高嶺巖，厚度3.93 m，灰色，膠結(jié)致密，性脆。為提高煤炭回收率，5208巷設(shè)計(jì)采用沿空掘巷技術(shù)。工作面北部為8210采空區(qū)，屬于已采動采空區(qū)，為5208巷沿空掘巷提供了良好的掘巷時(shí)機(jī)。根據(jù)生產(chǎn)地質(zhì)條件和采掘設(shè)備安全需求，5208巷掘進(jìn)寬度5.0 m，掘進(jìn)高度3.5 m。

2 小煤柱沿空掘巷圍巖控制技術(shù)

小煤柱沿空掘巷是在鄰近上區(qū)段工作面采空區(qū)留設(shè)較窄的煤柱新掘下區(qū)段工作面回采巷道，鄰近上區(qū)段工作面推進(jìn)后，直接頂巖層冒落，基本頂巖層破斷，形成“O-X”結(jié)構(gòu)。隨著工作面推采，基本頂巖層周期性破斷，形成周期性“O-X”結(jié)構(gòu)，同時(shí)在順槽后方形成弧形三角塊，弧形三角塊內(nèi)側(cè)可形成應(yīng)力降低區(qū)。沿空掘巷將下區(qū)段工作面回采巷道布置在該區(qū)域，在提高煤炭回收率的同時(shí)，還可以改善巷道圍巖維護(hù)環(huán)境。基本頂巖層“O-X”結(jié)構(gòu)如圖1[6]，沿空掘巷覆巖結(jié)構(gòu)如圖2。

圖1 基本頂巖層“O-X”結(jié)構(gòu)

圖2 沿空掘巷覆巖結(jié)構(gòu)

（1）沿空掘巷煤柱寬度的確定

沿空掘巷的關(guān)鍵參數(shù)之一是煤柱寬度。沿空巷道應(yīng)布置在弧形三角塊內(nèi)側(cè)形成的應(yīng)力降低區(qū)，煤柱寬度X采用公式（1）計(jì)算[5]。

式中：x1為鄰近上區(qū)段工作面開采使煤體產(chǎn)生的塑性區(qū)寬度，由公式（2）計(jì)算得到。公式（2）中，m、A分別表示采高、測壓系數(shù)，φ0、C0分別表示煤體的內(nèi)摩擦角和內(nèi)聚力，K、H、γ、P分別表示應(yīng)力集中系數(shù)、埋深、覆巖容重以及支護(hù)阻力，經(jīng)計(jì)算x1=1.7 m。x2表示錨桿錨深，取2.0 m；x3表示安全儲備寬度，取1.2 m。

綜上所述，經(jīng)計(jì)算煤柱寬度X=4.9 m，確定5208巷沿空掘巷留設(shè)5.0 m寬的煤柱。

（2）小煤柱沿空掘巷支護(hù)參數(shù)

5208巷支護(hù)形式為“錨桿+錨索+W鋼帶+JW鋼帶+金屬網(wǎng)”聯(lián)合支護(hù)，如圖3。

① 頂板錨桿（索）布置方式：按1排錨桿、1排錨索交替布置。錨桿規(guī)格為Ф22 mm×2400 mm的左旋無縱筋螺紋錨桿，每排6根，間排距900 mm×1800 mm；錨索規(guī)格為Ф21.8 mm×6300 mm的預(yù)應(yīng)力鋼絞線，每排4根，間排距1000 mm×1800 mm。

② 兩幫錨桿（索）布置方式：左右兩幫支護(hù)布置4根錨桿或錨索，上3根錨桿、錨索按三花布置，即錨桿+錨索+錨桿與錨索+錨桿+錨索交替布置，下根全部為錨桿；護(hù)幫最上一根錨桿或錨索距頂板300 mm，下3根錨桿或錨索間距900 mm，最下一根錨桿距底板500 mm，排距全部為0.9 m。錨桿規(guī)格為Ф22 mm×2400 mm的左旋無縱筋螺紋錨桿，錨索規(guī)格為Ф21.8 mm×3200 mm的預(yù)應(yīng)力鋼絞線。

③ 角錨索布置方式：左右兩幫與頂板夾角上仰70°位置按間距1.8 m各布置1根Ф21.8 mm×6300 mm錨索，并與頂錨索布置對應(yīng)。

④頂板錨桿采用W鋼帶連接，規(guī)格4800 mm×280 mm×4 mm；頂板錨索采用JW鋼帶連接，規(guī)格3500 mm×330 mm×6 mm。

⑤ 錨桿采用蝶形、異形托盤，規(guī)格150 mm×150 mm×10 mm；錨索采用鋼板托盤，規(guī)格250 mm×250 mm×16 mm。

⑥ 頂、幫均鋪設(shè)8#鉛絲編織的菱形金屬網(wǎng)，頂板金屬網(wǎng)規(guī)格5200 mm×1000 mm，幫部金屬網(wǎng)規(guī)格3300 mm×1000 mm。

3 圍巖控制效果

將設(shè)計(jì)的小煤柱沿空掘巷圍巖控制技術(shù)應(yīng)用于5208巷，采用十字測試法監(jiān)測巷道圍巖移近情況，圖4給出了5208巷圍巖表面移近曲線圖。

圖4 5208巷圍巖表面移近曲線

①巷道圍巖變形主要發(fā)生在巷道掘進(jìn)0～56 d。該階段頂板累計(jì)移近70 mm，移近速度1.25 mm/d；底板累計(jì)移近81 mm，移近速度1.44 mm/d；工作面?zhèn)壤塾?jì)移近54 mm，移近速度0.96 mm/d；煤柱側(cè)累計(jì)移近59 mm，移近速度1.06 mm/d。

② 巷道掘出56～96 d之間圍巖變形速度降低。該階段頂板累計(jì)移近18 mm，移近速度0.44 mm/d；底板移近16 mm，移近速度0.40 mm/d；工作面?zhèn)壤塾?jì)變形11 mm，移近速度0.27 mm/d；煤柱側(cè)累計(jì)變形12 mm，移近速度0.31 mm/d。

③ 巷道掘出96 d后圍巖逐漸穩(wěn)定，移近速度趨于0 mm/d。此時(shí)，頂板累計(jì)移近86 mm，底鼓累計(jì)移近99 mm，工作面?zhèn)壤塾?jì)移近66 mm，煤柱側(cè)累計(jì)移近71 mm。

5208巷底板變形相對較大，煤柱側(cè)變形略大于工作面?zhèn)取?208巷圍巖變形均較小，證明了5208巷沿空掘巷圍巖控制技術(shù)的合理性和優(yōu)越性。

4 結(jié)論

小煤柱沿空掘巷提高煤炭回收率的同時(shí)，還可以改善巷道圍巖維護(hù)環(huán)境，為此，依據(jù)燕子山礦5208巷生產(chǎn)地質(zhì)條件，確定5208巷采用小煤柱沿空掘巷技術(shù)。巷道沿8210采空區(qū)留設(shè)5.0 m寬煤柱掘巷，采用“錨桿+錨索+W鋼帶+JW鋼帶+金屬網(wǎng)”聯(lián)合支護(hù)形式。技術(shù)應(yīng)用后，巷道于掘進(jìn)96 d后圍巖逐漸穩(wěn)定，巷道圍巖變形均較小，證明了小煤柱沿空掘巷圍巖控制技術(shù)的合理性和優(yōu)越性。