錢(qián)營(yíng)孜礦沿空掘巷窄煤柱留設(shè)及支護(hù)方案設(shè)計(jì)研究

李齊文,趙桃園,劉　宇（.皖北煤電集團(tuán)錢(qián)營(yíng)孜煤礦,安徽　宿州　34000；.中國(guó)礦業(yè)大學(xué),江蘇　徐州　000）

錢(qián)營(yíng)孜礦沿空掘巷窄煤柱留設(shè)及支護(hù)方案設(shè)計(jì)研究

李齊文1,趙桃園1,劉宇2
（1.皖北煤電集團(tuán)錢(qián)營(yíng)孜煤礦,安徽宿州234000；2.中國(guó)礦業(yè)大學(xué),江蘇徐州221000）

摘要:沿空掘巷能夠提高煤炭采出率,減少資源浪費(fèi),因而被我國(guó)煤礦廣泛采用。本文以錢(qián)營(yíng)孜礦W3226工作面機(jī)巷為研究對(duì)象,通過(guò)理論分析、數(shù)值模擬并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)條件確定了該沿空巷道的煤柱寬度和支護(hù)方案,最后在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行了工程實(shí)踐，取得了良好的經(jīng)濟(jì)技術(shù)效果，研究結(jié)果對(duì)本礦后續(xù)工作面沿空掘巷具有重要指導(dǎo)意義。

關(guān)鍵詞：沿空掘巷；數(shù)值模擬；圍巖控制；工程實(shí)踐

1　工程概況

錢(qián)營(yíng)孜礦W3226工作面為西二采區(qū)第二個(gè)工作面,該工作面機(jī)巷擬采用沿空掘巷技術(shù)。巷道斷面采用矩形，其寬高4.8m×3m。巷道平均埋深540m，所在煤層平均煤厚3.57m，煤層平均傾角12，頂?shù)装鍘r性以泥巖為主，次為粉砂巖和細(xì)砂巖。

2　沿空掘巷圍巖結(jié)構(gòu)分析

沿空掘巷是在上區(qū)段采空區(qū)頂板活動(dòng)穩(wěn)定后沿采空區(qū)邊緣通過(guò)留設(shè)窄煤柱掘進(jìn)巷道，研究表明在工作面回采過(guò)后其上覆老頂呈“O-X”形式破斷，在工作面端頭處破斷的老頂巖塊B在煤體和采空區(qū)矸石的支承作用下與未破斷的老頂巖塊A及采空區(qū)已斷裂的巖塊C相互鉸接形成“弧形三角塊”大結(jié)構(gòu)，沿空巷道就是從該大結(jié)構(gòu)下掘進(jìn)的。

上工作面回采過(guò)后在兩側(cè)實(shí)體煤處形成應(yīng)力降低區(qū)、應(yīng)力增高區(qū)和原巖應(yīng)力區(qū)，沿空掘巷就是在弧形三角塊大結(jié)構(gòu)形成的應(yīng)力降低區(qū)掘進(jìn)的。沿空巷道的直接頂、底板、窄煤柱以及實(shí)體煤幫形成了巷道圍巖小結(jié)構(gòu)。巷道掘進(jìn)不會(huì)對(duì)大結(jié)構(gòu)造成影響，但巷道圍巖小結(jié)構(gòu)在應(yīng)力作用下會(huì)不斷發(fā)生蠕變，因而沿空掘巷的關(guān)鍵就在于保持巷道圍巖小結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定。

3　窄煤柱寬度設(shè)計(jì)

沿空掘巷中窄煤柱的寬度至關(guān)重要,窄煤柱過(guò)寬會(huì)使巷道處于側(cè)向支承應(yīng)力峰值下部,造成巷道變形過(guò)大,窄煤柱過(guò)窄必然造成破碎區(qū)過(guò)多不利于窄煤柱的穩(wěn)定。合理的煤柱寬度既有利于巷道圍巖控制又不會(huì)對(duì)安全生產(chǎn)造成影響。本次以理論計(jì)算為基礎(chǔ)，通過(guò)數(shù)值模擬并結(jié)合工程實(shí)踐最終確定窄煤柱的合理寬度。

（1）理論計(jì)算。根據(jù)極限平衡理論,窄煤柱寬度B可以按下述公式計(jì)算。

式中：x1—上區(qū)段工作面開(kāi)采引起的破碎區(qū)寬度；

x2—窄煤柱幫錨桿有效長(zhǎng)度，暫取為2.50m；

x3—煤柱穩(wěn)定性系數(shù)，取0.2（x1+x2）；

代入相關(guān)數(shù)據(jù)的得出窄煤柱合理寬度為B=5.5m

（2）數(shù)值模擬。模擬采用FLAC3D軟件，以錢(qián)營(yíng)孜礦W3226工作面機(jī)巷為模擬對(duì)象，所用煤巖物理力學(xué)參數(shù)如表1所示。模型左右兩邊界和底邊界固定，上邊界自由，長(zhǎng)、寬、高為300m×200m×200m,共劃分10700個(gè)網(wǎng)格。

模擬方案以理論計(jì)算為基礎(chǔ)，不同方案下煤柱寬度分別為4m、5 m、6m、7m，模擬過(guò)程中先將工作面開(kāi)挖，待其運(yùn)算穩(wěn)定后再開(kāi)挖巷道，通過(guò)觀察圍巖應(yīng)力和塑性區(qū)分布來(lái)確定窄煤柱合理寬度。

表1　煤巖物理力學(xué)參數(shù)

經(jīng)模擬結(jié)果得出，隨著煤柱寬度的增加，巷道塑性區(qū)逐漸減小，其中4m、5m時(shí)窄煤柱塑性區(qū)較多，圍巖變形較大,不利于巷道圍巖小結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定；6m、7m時(shí)煤柱有一定的彈性區(qū)，圍巖變形較小,窄煤柱易于保持穩(wěn)定，但留7m煤柱時(shí)候煤柱應(yīng)力集中過(guò)大，巷道處于高應(yīng)力狀態(tài)下，其后期變形會(huì)過(guò)大，綜合考慮確定采用6m寬煤柱較為合理,與理論計(jì)算基本吻合。

4　圍巖控制方案及工程實(shí)踐

（1）圍巖控制方案。在留設(shè)合理寬度窄煤柱的基礎(chǔ)上圍巖控制方案就顯得尤為重要,由于受上區(qū)段回采和掘巷擾動(dòng)影響，沿空巷道圍巖破碎區(qū)較大,掘后圍巖長(zhǎng)期發(fā)生蠕變,后期還要受本工作面回采影響,巷道圍巖變形大,支護(hù)方案必須既能夠控制又能夠適應(yīng)巷道圍巖變形。

高強(qiáng)度錨桿支護(hù)能夠阻止圍巖裂隙的發(fā)展，提高圍巖承載能力，同時(shí)可實(shí)現(xiàn)高阻讓壓以適應(yīng)圍巖變形。在錨桿支護(hù)的基礎(chǔ)上采用小孔徑預(yù)應(yīng)力錨索補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)，可形成以錨索為骨架，以錨桿為基礎(chǔ)的圍巖壓應(yīng)力場(chǎng)，顯著提高圍巖的整體性和承載能力，基于此原則提出如下支護(hù)方案：頂板采用Ф22×2400mm的左旋無(wú)縱筋螺紋鋼錨桿，實(shí)體煤幫采用Ф20×2400mm的右旋全螺紋鋼錨桿，間排距800mm×800 mm；窄煤柱幫布置5根Ф20×2500mm的右旋全螺紋鋼錨桿，間排距700mm×800mm；每根錨桿配套2卷Z2370型中速樹(shù)脂藥卷加長(zhǎng)錨固，頂板兩幫均配套使用KTM型鋼帶進(jìn)行聯(lián)合支護(hù)。

補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)：頂板中每隔2排錨桿布置一排錨索（即排距為1.6m），間距為2.4m，采用五花型布置。錨索規(guī)格為Φ17.8×6500mm，預(yù)緊力為100kN。

（2）工程實(shí)踐。錢(qián)營(yíng)孜礦按照6m寬窄煤柱和上述支護(hù)方案掘進(jìn)W3226機(jī)巷，掘進(jìn)及本工作面回采過(guò)程對(duì)其表面位移進(jìn)行監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)結(jié)果表明巷道變形主要以?xún)蓭鸵平鼮橹鳎锏涝诰蚝笠粋€(gè)月內(nèi)圍巖變形速度較大，最大速度達(dá)15mm/d，一個(gè)月后巷道圍巖變形速度較小，圍巖處于蠕變狀態(tài)。在本工作面回采期間，隨著測(cè)站距離工作面越來(lái)越近巷道變形速度逐漸增大，回采影響范圍為30m，掘巷及回采期間巷道兩幫累計(jì)移近量180mm，頂?shù)装謇塾?jì)移近量70mm，圍巖變形處于可控范圍內(nèi)，不影響巷道正常使用，巷道不需要二次返修，表明煤柱寬度合理，支護(hù)方案可靠有效。

5　主要結(jié)論

（1）沿空巷道處于大結(jié)構(gòu)保護(hù)之下，掘巷成功的關(guān)鍵在于留設(shè)合理寬度的煤柱和設(shè)計(jì)良好的支護(hù)方案；（2）結(jié)合錢(qián)營(yíng)孜礦實(shí)際條件，通過(guò)理論計(jì)算和數(shù)值模擬得出6m寬的煤柱最為合理；（3）依據(jù)三高一低原則，提出了在錨桿支護(hù)的基礎(chǔ)上采用小孔徑錨索補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)方案，按照此方案進(jìn)行了工程實(shí)踐，結(jié)果表明巷道圍巖變形可控，變形后不影響巷道正常使用，驗(yàn)證了煤柱寬度和支護(hù)方案的合理性。

參考文獻(xiàn)：

[1]礦山壓力與巖層控制[M].中國(guó)礦業(yè)大學(xué)出版社,2003.

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[3]綜放沿空掘巷圍巖穩(wěn)定控制原理與技術(shù)[M].中國(guó)礦業(yè)大學(xué)出版社,2008.

作者簡(jiǎn)介:李齊文（1987-）,男,安徽淮北人，學(xué)士，助理工程師，研究方向：礦山壓力及巖層控制方面。