挖金灣煤礦煤柱工作面巷道布置及支護(hù)技術(shù)應(yīng)用研究

楊海峰

（同煤集團(tuán)挖金灣煤業(yè)有限責(zé)任公司，山西 大同 037042）

1 工程概況

同煤集團(tuán)挖金灣煤礦正在進(jìn)行其工業(yè)廣場西部5#煤層第四采區(qū)西大巷保護(hù)煤柱回采，大巷保護(hù)煤柱寬度為110m，設(shè)計工作面推進(jìn)長度約為420m，工作面回采過程中預(yù)計通過F19與F14兩個較大斷層，煤柱兩側(cè)為各個工作面的采空區(qū)，分布情況差異較大，見圖1。5#煤層厚度1.05～4.2m，平均約為3.2m，煤層傾角7.4～10.5°，平均9.0°。直接頂和直接底分別為平均厚度5.03m和2.15m的砂質(zhì)泥巖，抗壓強(qiáng)度為3.4～7.8MPa。煤柱工作面共布置兩個回采巷道，回風(fēng)平巷北側(cè)與5400工作面采空區(qū)相鄰，采空區(qū)與煤柱體的長度方向近似平行，運(yùn)輸平巷南側(cè)與5402～5405工作面采空區(qū)相鄰。本文以該煤柱工作面為研究對象，對巷道布置和支護(hù)技術(shù)進(jìn)行研究。

圖1 挖金灣煤礦第四采區(qū)大巷保護(hù)煤柱示意圖

2 煤柱工作面巷道合理位置的確定

工作面回采巷道布置時，應(yīng)避開煤巖體破碎及應(yīng)力集中程度較高的區(qū)域，這樣既有利于巷道圍巖的控制，又能夠通過減小回采巷道保護(hù)煤柱的寬度提高資源的利用率[1-2]。挖金灣5#煤層第四采區(qū)煤柱回收工作面兩側(cè)采空區(qū)分布形式差異很大，因此需對回風(fēng)平巷和運(yùn)輸平巷保護(hù)煤柱的寬度分別進(jìn)行設(shè)計?；仫L(fēng)平巷一側(cè)，采空區(qū)規(guī)則分布，參考正常工作面的區(qū)段煤柱寬度，在回風(fēng)平巷側(cè)設(shè)計7種窄煤柱寬度，分別為3m、4m、5m、6m、8m、10m、15m；而運(yùn)輸平巷一側(cè)，采空區(qū)走向與運(yùn)輸平巷斜交較大，大致為69°、75°和75°，采空區(qū)邊緣距離運(yùn)輸平巷的距離差別很大，且5403工作面采空區(qū)與運(yùn)輸平巷距離最近，因此模型建立時以5403采空區(qū)為例。運(yùn)輸平巷與5403采空區(qū)拐點間設(shè)計5種煤柱寬度，分別為5m、10m、20m、30m、40m。為具體分析不同煤柱寬度對于煤柱工作面回采的影響，采用FLAC3D數(shù)值模擬軟件，建立如圖2所示的數(shù)值模型，研究分析不同煤柱寬度條件下巷道圍巖的穩(wěn)定情況[3-4]。工作面煤巖體采用摩爾—庫倫本構(gòu)模型，模型尺寸長×寬×高=210×300×82.5m。5#煤層工作面采高3.2m，兩側(cè)煤體回采后采用一次性換充填材料模擬采空區(qū)冒落矸石。模型位移邊界條件：模型前后、左右邊界法向位移受到約束，底面為固定邊界，上部為自由邊界，基于上方邊界施加9.25MPa的等效載荷。

圖2 三維數(shù)值模型示意圖

2.1 回風(fēng)平巷位置分析

為具體分析不同煤柱條件對于巷道圍巖穩(wěn)定性的影響，分別統(tǒng)計煤柱工作面處于掘巷期間和回采期間圍巖內(nèi)應(yīng)力分布與煤柱寬度的關(guān)系，回風(fēng)平巷圍巖內(nèi)應(yīng)力變化曲線如圖3所示。由圖3可以看出，回風(fēng)平巷掘進(jìn)期間，隨著與采空區(qū)距離的變化，不同煤柱寬度條件下，煤柱內(nèi)垂直應(yīng)力呈現(xiàn)先增大后減小的變化趨勢，留設(shè)的煤柱寬度越大煤柱內(nèi)應(yīng)力峰值越大，煤柱寬度為3～4m時，煤柱完全發(fā)生塑性破壞；煤柱寬度為4～6m之間時，煤柱內(nèi)應(yīng)力峰值均小于20MPa；煤柱寬度在6～15m時，煤柱應(yīng)力峰值開始超過20MPa；5#煤層單軸抗壓強(qiáng)度約為20.5MPa，因此根據(jù)掘巷期間煤柱內(nèi)的應(yīng)力分布，煤柱寬度為4～6m較合理。根據(jù)圖3(b)所示的模擬結(jié)果可以看出，回采期間煤柱內(nèi)垂直應(yīng)力峰值明顯增大，而當(dāng)煤柱寬度為4～5m，應(yīng)力峰值仍小于20MPa，煤柱寬度為6m時，應(yīng)力峰值達(dá)到22MPa。綜上分析，將回風(fēng)平巷側(cè)煤柱寬度設(shè)計為5m。

圖3 回風(fēng)平巷煤柱內(nèi)應(yīng)力分布規(guī)律

2.2 運(yùn)輸平巷位置分析

煤柱工作面運(yùn)輸平巷圍巖內(nèi)應(yīng)力變化曲線如圖4所示。由圖4（a）可知，隨著運(yùn)輸平巷與5403采空區(qū)煤柱寬度的增大，煤柱內(nèi)應(yīng)力峰值先增大后減小，當(dāng)煤柱寬度為5～10m時，煤柱內(nèi)應(yīng)力基本上全部大于20MPa，煤巖體內(nèi)應(yīng)力集中程度過高；煤柱寬度為20～40m時，煤柱內(nèi)應(yīng)力峰值為23MPa，但是煤柱中間部分垂直應(yīng)力均小于15MPa。因此考慮煤柱寬度為20～40m之間較為合適。根據(jù)圖4（b）所示結(jié)果可知，工作面回采期間，煤柱內(nèi)支撐應(yīng)力在5403工作面采空區(qū)拐點處最大，煤柱寬度由20m增加到30m，煤柱內(nèi)垂直應(yīng)力明顯減小，煤柱寬度繼續(xù)增大到40m，垂直應(yīng)力繼續(xù)減小，但是減小并不明顯。因此，綜合考慮經(jīng)濟(jì)等多方面的因素，確定運(yùn)輸平巷側(cè)煤柱寬度為30m。

3 煤柱工作面回采巷道支護(hù)技術(shù)

四采區(qū)煤柱回收工作面回風(fēng)平巷和運(yùn)輸平巷巷道斷面均為矩形，斷面尺寸寬×高=4500×3000mm，設(shè)計采用錨桿、錨索及鋼筋網(wǎng)、鋼筋梯子梁聯(lián)合支護(hù)。頂板采用Ф22×2400mm的高強(qiáng)度螺紋鋼錨桿，錨桿間排距為850×800mm，每排六根；回采幫采用Ф22×2400mm的玻璃鋼錨桿，間排距為850mm×800mm，每排四根；煤柱幫采用Ф22×2400mm的高強(qiáng)度螺紋鋼錨桿，每排五根，間排距為700mm×800mm；兩幫靠近頂?shù)装宓腻^桿傾斜20°安裝，頂板靠近兩幫的錨桿向兩幫傾斜20°施工。采用直徑為6.5mm的鋼筋網(wǎng)，網(wǎng)孔為邊長100mm的矩形，鋼筋梯子梁由Φ14mm圓鋼焊接而成。錨桿采用錨固劑為K2340、Z2360各一支，預(yù)緊力不小于150N·m，錨固力不小于150kN。頂板錨索采用Φ17.8mm×7300mm的小孔徑預(yù)應(yīng)力，采用“五花布置”，間排距為1700×1600mm，距巷幫1400mm，頂板錨索錨固劑使用快速S2360一支和Z2360兩支，錨索垂直頂板安裝，預(yù)緊力不小于130kN?；仫L(fēng)平巷和運(yùn)輸平巷的支護(hù)詳情如圖5所示。

圖4 運(yùn)輸平巷煤柱內(nèi)應(yīng)力分布

圖5 “錨網(wǎng)索梁”聯(lián)合支護(hù)示意圖

4 現(xiàn)場應(yīng)用及效果分析

挖金灣煤礦5#煤層第四采區(qū)煤柱回收工作面首先進(jìn)行其回風(fēng)平巷的掘進(jìn)，煤柱寬度為5m，在其掘進(jìn)期間進(jìn)行了圍巖位移觀測，結(jié)果如圖6所示。根據(jù)圖6（a）所示的監(jiān)測結(jié)果可以看出，巷道掘進(jìn)期間圍巖穩(wěn)定后，頂板下沉量最大為125mm，底板底鼓量最大為28mm，窄煤柱幫最大位移量約為123mm，回采幫最大位移量約為180mm，兩幫最大移近量平均值約為251mm?？傮w來說巷道圍巖的變形量較小，回采巷道變形能夠滿足掘進(jìn)及工作面回采期間巷道使用要求，同樣表明本文確定的巷道布置及支護(hù)方式合理。

圖6 回風(fēng)平巷圍巖位移觀測結(jié)果

5 結(jié) 論

為確定挖金灣煤礦5#煤層第四采區(qū)大巷煤柱回收工作面回采巷道的煤柱留設(shè)的合理寬度及合理的支護(hù)方案，通過數(shù)值模擬及理論分析研究表明，回風(fēng)平巷側(cè)煤柱寬度為5m，運(yùn)輸平巷側(cè)煤柱寬度為30m較合理，設(shè)計采用錨網(wǎng)索對兩個回采巷道進(jìn)行支護(hù)。回風(fēng)平巷掘進(jìn)期間，巷道圍巖穩(wěn)定后，頂板下沉量最大為125mm，底板底鼓量最大為28mm，窄煤柱幫最大位移量約為123mm，回采幫最大位移量約為180mm?；仫L(fēng)平巷留5m窄煤柱和采用錨網(wǎng)索支護(hù)合理，煤柱寬度及支護(hù)設(shè)計控制效果良好。