特厚煤層綜放工作面小煤柱巷道支護技術研究

王星星，童 榮

(晉能控股煤業集團 同忻煤礦山西有限公司，山西 大同 037000)

隨著采礦技術的逐漸成熟，生產裝備的日益先進，開采強度的逐年增大，礦井資源儲量匱乏、采掘接替緊張問題也日益凸顯[1-2]。無煤柱護巷作為解決該問題的主要手段之一，近年來被廣泛推廣應用[3-6]。無煤柱護巷分為沿空留巷和小煤柱沿空掘巷，其中特厚煤層開采以小煤柱沿空掘巷為主[7]。小煤柱沿空掘巷是指將巷道布置于采空區側向應力降低區內，雖巷道圍巖整體應力環境較低，但煤體塑性破壞嚴重，因而小煤柱巷道支護形式的選取面臨著許多新的問題[8-10]。

為此學者們進行了多方面的研究，王長平[11]以大埋深小煤柱巷道為地質基礎，通過分析小煤柱沿空掘巷破壞機理，提出了以注漿錨索為核心的幫部支護方案，解決了小煤柱巷道幫部變形嚴重的問題。李洪彪等[12]提出了以“中空注漿錨索+錨網梁”聯合支護為核心的“三軟”煤層小煤柱巷道支護技術，并通過現場實踐驗證了支護參數的合理性。許興亮等[13]發現小煤柱內部存在部分中性面區域，該區域不變形或變形極小，研究表明錨桿支護強度可顯著增大中性面承載能力。張元超等[14]分析了深井綜放沿空掘巷實體煤幫變形破壞機制，提出了高強讓壓長錨索聯合錨網的實體煤幫支護技術。

同煤集團同忻礦具有煤層埋藏深、厚度大，工作面開采強度高的特點，小煤柱沿空掘巷綜放開采已在該礦廣泛應用，但目前特別針對此種條件下的小煤柱巷道支護參數的研究仍相對較少。故而，以同忻礦小煤柱沿空掘巷為工程背景，探索特厚煤層高強度綜放開采工作面小煤柱沿空掘巷的支護形式，為今后類似條件下小煤柱巷道支護參數的推廣應用提供借鑒。

1 工程背景

同忻礦8305工作面位于三盤區南部，工作面傾向長200 m，可采長度為1 034 m，平均埋深530 m.5305巷為工作面回風巷，采用小煤柱沿空掘巷布置，與北部8307采空區留設煤柱寬度6 m.根據同忻礦實際生產情況5305巷優先選用矩形斷面，在滿足通風、運輸、行人、管線架設、設備安裝等要求的前提下，巷道掘進寬度為5 500 mm，高度為3 800 mm，工作面布置圖如圖1所示。

圖1 8305工作面布置圖

8305工作面所在區域附近的煤層厚度介于7.24～17.98 m之間，平均厚度13.76 m，平均傾角1.5°，煤層普氏硬度1.59，節理較發育。工作面頂底板以砂巖為主，具體情況如表1所示。

表1 煤層頂底板巖性概況

2 小煤柱巷道支護參數理論分析

2.1 圍巖松動圈范圍確定

2.1.1 松動圈理論概述

松動圈理論認為，支護的作用就是限制圍巖松動圈中碎脹力造成的有害變形，松動圈的大小直接關系到主動支護參數的選取。實踐表明，圍巖松動圈越大，碎脹變形就越大，巷道支護就越困難。掌握巷道松動圈的范圍，對于選擇合適的巷道支護形式與參數至關重要，松動圈理論依據松動圈大小將巷道圍巖類別分為以下6類，如表2所示。

表2 圍巖松動圈分類及支護建議

2.1.2 巷道圍巖松動圈計算

矩形巷道主要采用等效圓法計算圍巖松動圈，等效圓法是指將矩形巷道等效為圓形巷道，通過計算等效過后,圓形巷道的破碎帶范圍來確定矩形巷道的圍巖松動圈。

彈性理論及莫爾-庫倫強度準則[15]指出：圓形巷道在靜水壓力作用下彈性區和塑性區的切向應力σθ表達式如下：

(1)

(2)

由于巷道彈塑性區交界位置處切向應力σθ值相等，則聯立式(1)、(2)得圓形巷道塑性區半徑：

(3)

(4)

(5)

根據巷道圍巖力學參數及巷道幾何參數(見表3)，帶入式(3)～(5)計算可得，同忻礦5305小煤柱巷頂板松動圈范圍為1.85 m，兩幫松動范圍為1.00 m.

表3 圍巖力學參數及巷道尺寸

2.2 基于松動圈理論支護參數計算

2.2.1 錨桿參數計算

1) 錨桿長度計算：工程類比同忻礦以往巷道錨桿材質，5305小煤柱巷采用MG400型左旋無縱筋螺紋鋼錨桿(D22)，錨桿屈服力152 kN，設計錨固力為桿體屈服力的標準值即152 kN，則由式(6)計算得，錨桿錨固長度l2為0.86 m.

(6)

式中：K為安全系數，一般取1.5；Q為設計錨固力，取152 kN；d為鉆孔直徑，取0.028 m；τ為錨固劑與煤體間黏聚力，取3 000 kPa.

樹脂錨固劑與煤體間黏聚力參數[16]，如表4所示。

表4 樹脂錨固劑與不同巖體黏聚力

取錨桿外露長度l1為0.1 m，根據巷道松動圈計算結果，則由公式(7)、公式(8)計算得，頂錨桿長度lh為2.81 m，幫錨桿長度ll為1.96 m.

lh=l1+hh+l2

(7)

lh=l1+hl+l2

(8)

2) 錨桿間距計算：錨桿間距D由式(9)計算得最大不超過1.98 m.

(9)

式中：D為錨桿間距，m；ρ為煤體密度，取1.426 t/m3.

3) 錨桿直徑校驗：錨桿直徑d至少應滿足如下不等式：

(10)

式中：[σt]為錨桿屈服強度，取400 MPa.計算得：d≥0.022 m，錨桿直徑取22 mm滿足設計要求。

4) 錨桿錨固劑計算：根據錨固長度，按式(11)計算錨桿錨固需要的藥卷長度：

(11)

式中：ks為錨固劑損耗系數，取1.1～1.5；R孔為錨桿鉆孔半徑，取14 mm；R錨為錨桿半徑，取11 mm；R藥為樹脂藥卷半徑，取11.5 mm;L錨為錨桿錨固長度，取860 mm；計算得：L藥=536.5～731.6 mm.

根據計算結果，選取1卷MSZ2360的樹脂錨固劑。

2.2.2 錨索參數計算

1) 錨索長度計算：錨索采用直徑21.8 mm鋼絞線，錨索屈服力583 kN，設計錨固力為370 kN，則由式(6)計算得，錨索錨固長度l2＇為2.10 m.取錨索外露長度l1＇為0.2 m，取上托盤及索具厚度l3＇為0.1 m，根據巷道松動圈計算結果，則由公式(12)、公式(13)計算得，頂錨索長度lh＇為4.25 m，幫錨索長度ll＇為3.4 m.

lh＇=l1＇+hh+l2＇+l3＇

(12)

lh＇=l1＇+hl+l2＇+l3＇

(13)

2) 錨索間距計算：錨索間距D＇依據式(9)計算得最大不超過3.09 m.

3) 頂錨索支護密度計算：由式(14)可知每米巷道頂板錨索數量N滿足如下不等式：

N≥KW/Q

(14)

W=2γhhl

(15)

式中：K為安全系數，取 1.5；W為頂板巖層壓力；Q為錨索設計錨固力，取525 kN；γ為懸吊巖層重力密度，取24 kN/m3；hh為頂板松動圈范圍，取1.85 m；l為巷寬，取5.5 m.

計算得巷道頂板單位面積內需要的錨索根數為1.98根，在充分保證支護質量的前提下取整為2根。

4) 錨索錨固劑計算：根據錨索錨固長度l2＇，按式(11)計算得錨索錨固需要的藥卷長度為1.34～1.84 m，根據計算結果，選取MSCK2335(1卷)、MSZ2360(2卷)的樹脂錨固劑。

3 支護參數數值模擬分析

結合同忻礦實際生產情況，現采用FLAC3D有限差分法模擬分析不同參數對巷道支護的影響，為5305小煤柱巷支護參數的確定打下基礎，模擬方案如表5所示。

表5 支護參數模擬方案

3.1 錨桿預緊力對其預應力在圍巖中擴散的影響

如圖2所示，從長度為2.5 m的單根錨桿依次在預緊力30 kN、60 kN、90 kN、120 kN時的應力分布狀態可以得出：單根錨桿在預緊力30～60 kN時，錨桿所產生的預應力較低，預應力沿軸向、徑向的擴散范圍較小，錨桿自由端和錨固端應力場相對獨立，未形成完整連續的應力區；當預緊力為90 kN時，隨著錨桿預緊力的增大，錨桿所產生的預應力逐漸增大，預應力沿軸向、徑向的擴散范圍也在逐漸增大，單根錨桿所形成的應力場開始連接成為整體。

圖2 長度2.5 m單錨桿不同預緊力預應力場

如圖3所示，長度2.5 m、間距1 m的錨桿群不同預緊力所形成的應力場分布規律與長度2.5 m單根錨桿不同預緊力所形成的應力場分布規律基本類似，當錨桿群預緊力在30～60 kN時，錨桿群產生的應力場無論是軸向還是徑向都未能形成連續的應力區；當錨桿群預緊力為90 kN時，隨著預緊力的增加，錨桿自由端的壓應力范圍和強度均相應增大增強，直至與錨固端的壓應力疊加，同時相鄰錨桿自由端及錨固端的壓應力在徑向上也相互疊加，最終錨桿群形成完整連續的壓應力區。

圖3 長度2.5 m、間距1 m錨桿群不同預緊力預應力

預緊力是影響錨桿自由端應力場強度和擴散范圍的決定性因素。根據巷道實際地質情況確定合理的錨桿預緊力，并使錨桿預應力實現有效擴散，使錨桿的主動支護作用得到充分發揮是預緊力設計的關鍵。預緊力選擇原則是：使錨固區不產生明顯離層和拉應力區，在錨桿拉應力允許的范圍內，預緊力越大越好。

3.2 錨桿(索)長度對其預應力在圍巖中擴散的影響

如圖4、圖5所示，在錨桿預緊力為90 kN的條件下，當錨桿長度小于2.3 m時，錨桿自由端和錨固端的壓力場是連續的；在錨桿長度增加至2.5 m時，錨桿自由端和錨固端的壓力場逐漸分離，在達到2.7 m后，兩壓力場完全分離。錨索預緊力300 kN，間距2.0 m的情況下，錨索長度6.3 m時，0.1 MPa的壓應力可連續，在7.3 m時，錨索自由端和錨固端壓應力區趨于分離。

圖4 90 kN預緊力錨桿不同長度的預應力場

圖5 300 kN預緊力錨索不同長度的預應力場分布

錨桿、錨索自由端的長度是影響壓應力沿軸線擴散范圍的主要因素，在預緊力一定，自由端和錨固端壓應力連續的情況下，隨錨桿(索)自由端的加長，壓應力區先是拉長，之后逐漸出現分離，分離后自由端的壓應力場范圍和強度隨其長度的增加幾乎不再變化，說明錨桿錨索并不是越長越好，應合理選取錨桿錨索長度。

同時，在設計錨桿、錨索長度時，也應考慮巷道圍巖的可錨性，對于小煤柱巷道，巷道圍巖處于塑性破壞狀態，圍巖破碎，裂隙發育，故可適當增加錨桿錨索長度，增加錨固長度，保證支護的可靠性。

3.3 錨桿(索)間距對其預應力在圍巖中擴散的影響

由圖6和圖7所示，90 kN預緊力錨桿以及300 kN預緊力錨索形成的預應力場分布可得：

1) 錨桿(索)間距過大時，單根錨桿、錨索所形成的預應力場是相互獨立的，未能形成完整連續的支護結構。隨著錨桿(索)間距的減小，每根錨桿(索)形成的預應力場開始相互連接，形成可覆蓋整個頂板的完整的支護結構。但是當錨桿(索)間排距減小到一定程度，繼續增加支護密度并不會對錨桿(索)所產生的預應力場強度以及范圍產生明顯影響。

2) 預緊力不同，單根錨桿、錨索所形成的預應力場可以相互貫通的臨界間距也不同。預緊力越大，預應力場可以相互貫通的臨界間距也越大，因此，在實際設計中可以通過提高錨桿(索)的預緊力來降低巷道的支護密度。

總之，間距是影響錨桿(索)間能否形成連續壓應力的關鍵因素，在間排距合適時，各桿體間通過應力的疊加，應力場的強度也相應增強，隨著錨桿(索)的間排距加大，桿體間的應力疊加范圍相應減小，相應桿體間應力場的強度也相應減小。

圖6 90 kN預緊力錨桿不同間距的預應力場

圖7 300 kN預緊力錨索不同間距的預應力場分布

3.4 組合錨索對巷道支護效果的影響

在巷道支護過程中，同一斷面即使錨索數量、長度、預緊力完全相同，但由于錨索的布置形式不同也會對巷道圍巖產生不同的作用效果?，F對錨索的布置形式按均勻分散布置和組合布置進行分析，組合錨索布置形式如圖8所示，針對不同布置形式下的作用效果數值模擬結果如圖9和圖10所示。

圖8 組合錨索布置形式

圖9 分散錨索預應力場分布

圖10 組合錨索預應力場分布

由圖9和圖10分散錨索和組合錨索形成的預應力場分布可得，兩種不同布置形式下其形成的應力場影響范圍基本一致，但組合錨索較分散錨索應力場來說組合錨索有以下幾點優勢：

1) 組合錨索在巷道頂板位置形成的應力場強度為1 MPa，分散錨索應力場強度為0.47 MPa，組合錨索的應力場強度明顯比分散錨索強。

2) 組合錨索形成的0.2 MPa應力場范圍可影響至頂板上方8.5 m處，而分散錨索相同強度的預應力場只能影響至4.8 m.

3) 組合錨索形成的高強度預應力拱，配合相應的錨桿支護，可形成完整、連續和穩定的預應力場。

3.4 不同鉆孔直徑對錨固效果的影響

“三徑”是否匹配直接關系到錨固力能否達到設計要求。若鉆孔與錨桿半徑差較小，會造成錨桿安裝困難，浪費施工時間且錨固圈太薄達不到預期錨固效果；若鉆孔與錨桿半徑差太大，則會造成錨固長度變小，浪費錨固劑同時錨固力也達不到要求?，F通過模擬錨桿拉拔試驗來探索合理的“三徑”匹配，模型設置錨桿直徑為22 mm，錨固長度0.8 m，模擬拉拔力100 kN，通過對比分析鉆孔與錨桿半徑之差為2 mm、3 mm、4 mm、5 mm 四種拉拔條件下錨固劑塑性區及應力分布狀態，具體如圖11所示。

由圖11可以得出： 在保證錨桿不發生破壞的前提下，拉拔過程中錨固劑受剪切力作用而破壞變形，當鉆孔與錨桿半徑差為2 mm時，錨固劑塑性區體積占比為48.3%，錨固劑塑性破壞接近一半，破壞較為嚴重，錨固劑受到拉拔影響范圍較大，鉆孔與錨桿半徑之差為 3 mm、4 mm、5 mm 時，錨固劑塑性區體積占比分別為34.3%、21.7%、31.5%，隨著半徑差的增加錨固劑塑性破壞面積逐漸減小，在半徑差為4 mm時達到最小值21.7%，此后隨著半徑差的增加錨固劑塑性破壞面積有增加趨勢。由此可知：在保證錨桿錨固效果的同時考慮到利于錨桿安裝、避免錨固劑浪費等問題，在鉆孔與錨桿半徑之差4 mm時最適宜。

圖11 錨固劑塑性區

4 工程應用

4.1 支護方案

結合理論計算及數值模擬分析，同忻礦5305小煤柱巷采用錨網索聯合支護。

頂板采用兩排錨桿一排錨索交替支護布置，間距900 mm，排距900 mm，每兩排錨桿間布置兩組組合錨索，頂錨桿為D22 mm×3 000 mm左旋無縱筋螺紋鋼錨桿，頂錨索規格為D21.8 mm×6 300 mm，組合錨索規格為D21.8 mm×10 300 mm.巷道幫部自上而下共分為4排支護，間排距均為900 mm，采煤幫第一排及第四排為錨桿支護，第二排及第三排為錨桿錨索交替支護，其中距巷道底2 950 mm布置一排錨索，3根為一組用JW型鋼帶連接。煤柱幫第一排為錨索支護，第二排及第三排為錨桿錨索交替支護，第四排為錨桿支護。幫部錨桿為D22 mm×3 000 mm左旋無縱筋螺紋鋼錨桿，采煤幫錨索規格為D21.8 mm×6 300 mm，煤柱幫錨索規格為D21.8 mm×4 500 mm，頂板支護圖如圖12所示。

圖12 小煤柱巷道頂板支護平面圖(mm)

支護過程中采用直徑28 mm鉆頭掘孔，錨固劑直徑23 mm.錨桿設計錨固力152 kN，預緊力要求不小于75 kN；錨索設計錨固力為370 kN，預緊力要求不低于290 kN，支護斷面圖如圖13所示。

圖13 小煤柱巷道支護斷面圖(mm)

4.2 現場應用效果

為了驗證小煤柱巷道支護的合理性，在巷道掘進及回采期間對巷道表面位移進行了觀測，由于巷道測站布置密集，觀測數據較多，但變形規律基本一致，本文以巷道中部測站為例進行分析，觀測結果如圖14～圖17所示。

圖14 掘進期間巷道頂底板移近量

圖15 掘進期間巷道兩幫移近量

圖16 回采期間巷道頂底板移近量

圖17 回采期間巷道兩幫移近量

觀測結果表明：同忻礦5305小煤柱巷掘進期間頂底板最大移近量為63 mm，兩幫最大移近量為96 mm；回采期間，巷道頂底板最大移近量為420 mm，兩幫最大移近量為729 mm.合理的巷道支護參數設計，使得巷道在掘進及回采過程中變形維持在可控的范圍之內，未出現錨桿錨索失效現象，保證了工作面的安全順利生產。

5 結 語

1) 通過等效圓法計算得出,同忻5305小煤柱巷頂板松動圈范圍為1.85 m，幫部松動圈范圍為1 m.

2) 基于松動圈理論，計算得出頂錨桿長度為2.66 m，幫錨桿長度為1.81 m，為方便施工最終選取頂幫錨桿長度均為3 m.理論計算得：頂錨索長度為4.28 m，幫錨桿長度為5.13 m，考慮到巷道煤柱寬度留設6 m的緣故，最終確定巷道煤柱幫錨索長度為4.5 m，采煤幫及頂板錨索長度為6 m.

3) 維持連續的高強度預應力場是巷道支護的關鍵，提高預緊力，匹配鉆孔與錨桿索直徑，保證錨固力，適當縮小錨桿索長度及間距、搭配相應的組合錨索是提高巷道支護質量的有效途徑。

4) 5305小煤柱巷采用錨網索聯合支護，配合合理的支護參數使得巷道在掘進及回采期間圍巖變形得到了有效控制，滿足實際生產需求。