不規(guī)則殘采區(qū)沿空巷道煤柱留設(shè)與支護(hù)探討

常少鋒

（山西蘭花科技創(chuàng)業(yè)股份有限公司大陽煤礦分公司，山西 晉城 048000）

大陽煤礦萬里井大巷保護(hù)煤柱存在一個不規(guī)則小窯破壞區(qū)，在該區(qū)域采取小煤柱沿空掘巷的方式施工，不僅盡可能多地采集礦井中的煤炭資源，還能保障礦井的安全性，為工作人員提供安全且穩(wěn)定的工作環(huán)境。

1 工程概況

工作面回采3#煤層，煤層結(jié)構(gòu)簡單、分布穩(wěn)定，其厚度為6 m 左右，埋深深度均為200 m，煤層的硬度系數(shù)f=2～3，為中硬煤層。由于該工作面存在不規(guī)則小窯破壞區(qū)，煤柱工作面采掘情況如圖1 所示，在矩形ABCD 范圍內(nèi)，可分為不規(guī)則小窯破壞區(qū)和規(guī)則的采空區(qū)，從AB 線朝向DC 線進(jìn)行掘進(jìn)。在該工作面范圍內(nèi)，因受到矩形ABCD 中的兩區(qū)的影響，因此掘進(jìn)過程中必須充分考慮應(yīng)力異常等不利因素。

圖1 采掘工程

工作面周圍存在的不規(guī)則采空區(qū)，可分為三種區(qū)域，根據(jù)采空區(qū)邊界的不確定性進(jìn)行劃分，不規(guī)則采空區(qū)的邊界有許多尖點(diǎn)，因此在不規(guī)則采空區(qū)使實(shí)煤體的支承應(yīng)力的方向發(fā)生變化，存在應(yīng)力疊加現(xiàn)象，造成整個巷道的應(yīng)力不是以單一狀態(tài)分布。

2 煤柱寬度分析

2.1 分析方法

由于超前支撐壓力的影響以及相鄰工作面采動影響，目前可采用以下三種方法確定煤柱的寬度：

（1）理論計算法。以彈性力學(xué)為基礎(chǔ)，簡化模型的計算，在巷道圍巖穩(wěn)定性為基礎(chǔ)的前提下，通過提高圍巖的支護(hù)效果，盡可能地減小留設(shè)的煤柱寬度，既保證安全，又可以提高經(jīng)濟(jì)效益，最終可確立煤柱寬度B 的計算公式。

（2）數(shù)值模擬法。利用數(shù)值模擬來分析在哪一種煤柱尺寸下圍巖相對比較穩(wěn)定，進(jìn)而合理地選取煤柱寬度。

（3）工程類比法。由于現(xiàn)場復(fù)雜的地質(zhì)情況，圍巖的力學(xué)性質(zhì)存在非均質(zhì)性，因此理論計算和數(shù)值模擬都無法準(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)留設(shè)煤柱寬度的計算，但是根據(jù)以往類似地質(zhì)條件礦井所積累的現(xiàn)場經(jīng)驗(yàn)選取煤柱的留設(shè)寬度。

通過比較三種方法的優(yōu)缺點(diǎn)，在實(shí)際生產(chǎn)中，通常要結(jié)合這三種方法來確定煤柱的合理留設(shè)尺寸。

（一）總的來說，調(diào)查對象對黨建工作比較滿意，評價較高。尤其是對黨政聯(lián)席會議制度、黨員發(fā)揮先鋒模范作用、黨風(fēng)廉政建設(shè)責(zé)任體系和黨對共青團(tuán)的領(lǐng)導(dǎo)這4個指標(biāo)非常滿意。但是，調(diào)查對象大多認(rèn)為還是存在以權(quán)謀私現(xiàn)象、漠視和侵害師生員工利益的現(xiàn)象，并且對校園精神文明創(chuàng)建工作，還達(dá)不到預(yù)期。值得注意的是，人們認(rèn)為黨風(fēng)廉政建設(shè)責(zé)任體系很完善或是比較完善，可是又認(rèn)為有以權(quán)謀私現(xiàn)象、漠視和侵害師生員工利益的現(xiàn)象存在（有但不多）。這表明制度還沒有完全落到實(shí)處，貫徹執(zhí)行的力度不夠。

2.2 模擬分析

煤柱相鄰采空區(qū)的邊界存在不規(guī)則的現(xiàn)象，若想確保沿空巷道的位置安全合理，必須全面分析巷道的應(yīng)力分布情況。煤柱巷道所處的地質(zhì)情況如圖2 所示，利于研究煤柱工作面形成不規(guī)則采空區(qū)的條件，了解煤柱支承壓力大小及其分布情況，也能全面了解煤體的狀態(tài)。由于工作面的煤柱寬度必須根據(jù)實(shí)際巷道的情況以及煤層條件決定，同時在兩側(cè)進(jìn)行挖掘不會影響煤柱深部的支承應(yīng)力疊加，因此需建立數(shù)值模型了解其疊加情況。

圖2 數(shù)值計算模型

以大陽煤礦萬里井大巷煤柱地質(zhì)條件作為案例進(jìn)行分析，利用FLAC3D數(shù)值模擬軟件構(gòu)建相應(yīng)的三維模型，并考慮巖層巖性，最終將模型分為六層。模型的大小實(shí)際比例縮小至240 m×80 m×64 m。模型的邊界需根據(jù)實(shí)際應(yīng)力情況對其施加相同的應(yīng)力，形成應(yīng)力邊界，設(shè)置側(cè)壓系數(shù)值為1。將模型的X、Y 軸方向的四個邊界進(jìn)行固定，將Z 軸方向作為下部邊界。最終得出的數(shù)值模型和邊界情況如圖2 所示，將采空區(qū)分為1、2、3。

取模型的某個平面作為煤層的塑性區(qū)域進(jìn)行分析，其平面如圖3 所示。由于回采作業(yè)，會導(dǎo)致采空區(qū)的邊界出現(xiàn)塑性破壞現(xiàn)象，都處于采空區(qū)的外側(cè)。由圖3 可知，在塑性區(qū)的外側(cè)存在剪切破壞區(qū)，寬度為6～7 m，在采空區(qū)煤幫側(cè)則存在張拉剪切混合破壞區(qū)，其寬度為1～3 m，因此在采空區(qū)內(nèi)部和外部都存在大范圍的破壞區(qū)域。此外，采空區(qū)尖點(diǎn)周圍也存在塑性破壞區(qū)域，主要分布于其兩側(cè)。因此根據(jù)圖3 決定巷道的位置，必須考慮不規(guī)則采空區(qū)張拉剪切破壞區(qū)域以及塑性破壞區(qū)域的影響，避免挖掘到破碎的巖石，影響工程的安全。

圖3 煤柱工作面塑性區(qū)分布

為驗(yàn)證沿空掘巷過程中不同寬度煤柱的影響，本次模擬試驗(yàn)分別模擬了3 m、4 m、5 m、6 m、7 m、8 m、9 m 和10 m 寬度的煤柱，并詳細(xì)記錄巷道頂?shù)装搴蛧鷰r的變形現(xiàn)象，最終繪制成點(diǎn)線如圖4 所示。

圖4 不同煤柱寬度沿空掘巷圍巖變形量

由圖4（a）中曲線的走向可知，沿空掘巷過程中采用的煤柱寬度越寬，巷道兩幫就更加穩(wěn)定。若采用3 m 寬的煤柱，巷道兩幫的變形量最大，隨著寬度的增加，其變形量逐漸降低，但減小的幅度也逐漸變小，6 m、7 m、8 m、9 m、10 m 寬的煤柱的變形量占3 m 寬煤柱的變形量比例分別為37.2%、34.8%、30.2%、25.5%和23.2%。

由圖4（b）可知，煤柱的寬度不影響頂?shù)装遄冃瘟康陌l(fā)展趨勢，煤柱寬度小于6 m，圍巖頂板變形量相比6 m 以上的煤柱寬度變形量大得多，因此在設(shè)計沿空掘巷煤柱尺寸時，盡量選擇6～10 m的寬度，可顯著減少巷道兩幫和圍巖頂板的變形量，同時，煤柱過大會減少煤炭的采出量，影響煤炭資源回收率。綜合考慮最終選用8 m 寬的煤柱。

3 巷道支護(hù)分析

采用錨桿（索）技術(shù)，可以提高巖體的整體支護(hù)強(qiáng)度，在巷道圍巖和錨桿形成共同的支護(hù)體系下，使得圍巖內(nèi)的錨固部分的應(yīng)力峰值提高，進(jìn)而使得它可以控制變形，使得錨固部分承受的壓力降低，保證了巷道在回采時所產(chǎn)生的大變形，確保了巷道的穩(wěn)定和安全。

錨固體中錨桿軸向作用機(jī)理分析其作用主要表現(xiàn)在，在軸向上錨桿和圍巖形成了共同的作用體- 錨固體，并且使得共同作用體的峰值強(qiáng)度、殘余強(qiáng)度及其他力學(xué)性能都有所提高。錨固體中錨桿橫向作用機(jī)理上看，錨桿貫穿節(jié)理弱面，促使圍巖與錨桿形成了整體錨固，進(jìn)而使得錨固煤巖體內(nèi)的變形受到一定的約束，導(dǎo)致煤巖體不能沿著節(jié)理弱面滑動； 錨桿起作用后增加了錨固端周圍裂隙弱面的法向作用力。

1）采用高強(qiáng)度錨桿支護(hù)。錨桿主要是通過在軸向上施加應(yīng)力，從而提升錨固體強(qiáng)度以及通過錨桿使得各部分分裂巖體重新整合為一個整體，加強(qiáng)了其整體部分的強(qiáng)度，進(jìn)而達(dá)到進(jìn)一步改善此區(qū)域的力學(xué)性質(zhì)。

2）增大錨桿（索）預(yù)緊力。巷道掘進(jìn)初期，圍巖裂隙發(fā)育，淺部圍巖出現(xiàn)破碎區(qū)和塑性區(qū)，通過作用施加足夠預(yù)緊力的錨桿，降低圍巖應(yīng)力擴(kuò)散過程中對圍巖的破壞效果，遏制破碎區(qū)以及屈服區(qū)的持續(xù)演化。錨桿預(yù)緊力為100～300 N·m 時的預(yù)應(yīng)力場分布情況如圖5 所示，當(dāng)錨桿預(yù)緊力較小時，其錨桿主要在底部以及靠近托盤部分形成應(yīng)力集中區(qū)。隨著錨桿預(yù)緊力的增大，其應(yīng)力集中部分保持不變，但其擴(kuò)散范圍較大，呈“葫蘆”型。當(dāng)錨桿預(yù)緊力增加到最大時，錨桿之間所形成的預(yù)緊力場間相互迭加，進(jìn)而形成了特定范圍區(qū)域的壓應(yīng)力區(qū)，達(dá)到類似承壓拱的結(jié)構(gòu)發(fā)揮作用。綜上所述，可得錨桿扭矩選擇為300 N·m 為最佳。

圖5 不同預(yù)緊力下巷道圍巖的應(yīng)力分布

3）增強(qiáng)護(hù)表能力。應(yīng)力環(huán)境的改變，使得巷道圍巖發(fā)生變形，促使發(fā)生冒頂以及巖石滑落等安全事故。如圖6 所示，通過錨桿在破碎以及變形的圍巖內(nèi)部的貫通，使得圍巖形成整體完整穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，加強(qiáng)圍巖的承載抗壓能力。但為了充分發(fā)揮圍巖穩(wěn)定作用，需借助其他工具與錨桿配合使用，即托板、鋼帶、金屬網(wǎng)等。這些配件對于巷道圍巖的穩(wěn)定主要發(fā)揮以下作用： ①借助螺母傳遞預(yù)緊力發(fā)揮作用，再次借助托板以及鋼帶等構(gòu)件，進(jìn)一步加大穩(wěn)定區(qū)域；②圍巖在采動影響下，其內(nèi)部的荷載作用通過上述構(gòu)件所形成的支護(hù)結(jié)構(gòu)聯(lián)合體上，達(dá)到載荷均布分布，減弱了單一構(gòu)件的承壓作用。

圖6 煤柱幫一側(cè)的應(yīng)力分布

錨桿及其配件所形成的支護(hù)聯(lián)合體，一方面發(fā)揮了防治巷道圍巖表面松動塊體的垮落，另一方面，增加了對巷道深部圍巖的承載抗壓作用，使得巷道深部圍巖不易發(fā)生松動、破碎現(xiàn)象。

4 應(yīng)用分析

以大陽礦3306 工作面運(yùn)輸順槽為工程實(shí)例，該巷道原支護(hù)以錨桿索支護(hù)為主，頂板受上區(qū)段工作面?zhèn)认蛑С袎毫τ绊懀敯遢^為破碎，易產(chǎn)生漏頂、冒頂?shù)仁鹿省?yōu)化3306 工作面運(yùn)輸順槽（補(bǔ)強(qiáng)）支護(hù)方案如圖7 所示，采用矩形斷面錨網(wǎng)支護(hù)的形式，錨桿之間排距為1 000 mm；巷道頂板采用5 000 mm 長M5 鋼帶，5 600 mm×1 200 mm 長的10#鍍鋅鐵絲編制的菱形金屬網(wǎng)和6 根等強(qiáng)錨桿支護(hù)，錨索或錨桿之間的間排距為1 000 mm×1 000 mm，設(shè)計錨索尺寸為φ22×6 200 mm；巷道兩幫均采用兩根1 700 mm 長的M3 型鋼帶壓茬使用，3 500 mm×1 200 mm 長的10#菱形金屬網(wǎng)搭接和5 根等強(qiáng)錨桿支護(hù)； 金屬網(wǎng)與金屬網(wǎng)之間搭接不小于100 mm，扎絲單股長度400 mm，折合雙股長為200 mm，扎絲頭齊，至少扭三圈，扭成花的扎絲頭全部彎曲向里（內(nèi)）。

圖7 采區(qū)工作面運(yùn)輸順槽支護(hù)正視

如圖8 所示，巷道掘進(jìn)期間，隨著監(jiān)測天數(shù)的增長，頂?shù)装搴蛢蓭妥冃瘟空w呈增加的趨勢，最大移近量分別為125 mm 和238 mm，此后巷道表面位移量不再發(fā)生變化并逐漸穩(wěn)定。

圖8 掘進(jìn)期間1 號綜合點(diǎn)巷道表面變形

如圖9 所示，在3306 工作面回采期間，在監(jiān)測一個月后，頂?shù)装濉蓭鸵平糠謩e為325 mm和485 mm，在3306 工作面回采過程中巷道兩幫的移近量要高于頂?shù)装逡平俊?/p>

圖9 回采期間1 號綜合點(diǎn)巷道表面變形量

5 結(jié)語

針對大陽煤礦3306 工作面沿空巷道煤柱尺寸留設(shè)，綜合理論計算與數(shù)值模擬結(jié)果，最終選用8 m 寬的煤柱。該巷道擬采用優(yōu)化（補(bǔ)強(qiáng)）支護(hù)，即采用“長錨索+單體柱+金屬網(wǎng)+錨 栓+U 型鋼”聯(lián)合支護(hù)技術(shù)，在距離工作面后方30～60 m 范圍內(nèi)進(jìn)行施工；礦壓觀測表明，沿空留巷兩幫和頂?shù)装遄畲笠平糠謩e為558 mm 和485 mm，且留巷內(nèi)未出現(xiàn)錨桿索拉斷、錨固失效、單體柱壓彎和巷旁充填體嚴(yán)重破壞等現(xiàn)象，巷道圍巖變形控制效果較好； 該支護(hù)方案有效控制了沿空留巷圍巖的變形，同時驗(yàn)證了支護(hù)的合理性與有效性。