楊 凡

(山西馬軍峪煤焦有限公司，山西 沁源 046500)

長(zhǎng)期以來，煤炭資源一直占據(jù)著我國(guó)能源消費(fèi)的主體地位，在我國(guó)煤炭資源賦存中，厚煤層占據(jù)較大比重，由于分層開采方法局限性較大，煤炭采出率低，相關(guān)專家學(xué)者提出了綜放開采技術(shù)，具有適應(yīng)性強(qiáng)、成本低等優(yōu)點(diǎn)，目前廣泛應(yīng)用于厚煤層開采[1-2]。在綜放開采中，由于采高較大，若采用寬煤柱護(hù)巷技術(shù)，將造成資源的嚴(yán)重浪費(fèi)，而窄煤柱沿空掘巷可有效提高煤炭采出率。該技術(shù)是指在上工作面采空區(qū)覆巖活動(dòng)穩(wěn)定后，沿采空區(qū)邊緣留設(shè)幾米煤皮掘進(jìn)下工作面回采巷道，由于綜放沿空掘巷巷道頂板及幫部均為強(qiáng)度較低的煤體，圍巖自身承載能力較差，受采掘擾動(dòng)極易出現(xiàn)冒頂、片幫等大變形現(xiàn)象，因此，在該技術(shù)中，合理的煤柱留設(shè)和支護(hù)方案是保證沿空掘巷成功與否的關(guān)鍵[3-5]。

1 工程背景

山西某礦2103綜放面屬于一盤區(qū)工作面，開采山西組中部煤層，工作面位于F3斷層以東，山西沁和能源九鑫煤業(yè)有限公司礦界以南，主要回風(fēng)下山、主要軌道下山(已掘)以西，2102綜放面(正在回采)以北，工作面總體呈一單斜構(gòu)造，煤層厚度平均4.66 m，無明顯變化規(guī)律，全區(qū)可采，屬穩(wěn)定煤層，走向長(zhǎng)度660 m，傾向長(zhǎng)度145 m，平均傾角9.5°，煤層結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。煤層直接頂為4.0 m厚的黑灰色粉砂巖，基本頂為3.25 m厚的黑灰色泥巖，直接底為1.5 m厚的深灰色泥巖，基本底為7.0 m厚的灰黑色粉砂巖。礦井原設(shè)計(jì)在2103與2102綜放面回采巷道留設(shè)30 m煤柱護(hù)巷，為提高煤炭采出率，計(jì)劃在2103進(jìn)風(fēng)巷采用綜放窄煤柱沿空掘巷技術(shù)。

2 綜放窄煤柱沿空巷道覆巖活動(dòng)與穩(wěn)定性分析

沿空掘巷一般是在上工作面采空區(qū)覆巖活動(dòng)穩(wěn)定后進(jìn)行施工的，圖1為綜放開采中采空區(qū)覆巖活動(dòng)示意。

圖1 綜放開采中采空區(qū)覆巖活動(dòng)示意

隨著綜放面的不斷推進(jìn)，頂板巖層結(jié)構(gòu)出現(xiàn)變化，當(dāng)頂板巖層懸露長(zhǎng)度達(dá)到初次來壓步距，即巖層承受載荷達(dá)到極限承載能力時(shí)，堅(jiān)硬頂板在1、2位置出現(xiàn)斷裂縫隙，之后裂隙不斷擴(kuò)展，在位置3處出現(xiàn)斷裂縫隙，3條裂縫相互連接形成“O”型結(jié)構(gòu)，“O”型結(jié)構(gòu)擠壓變形，在位置4處出現(xiàn)斷裂縫隙，工作面繼續(xù)推移，“O”型結(jié)構(gòu)初次破斷形成“O-X”鉸接頂梁結(jié)構(gòu)，由此造成了初次來壓。初次破斷后，堅(jiān)硬頂板巖層工作面開采將形成周期性破斷，形成周期來壓現(xiàn)象。工作面回采結(jié)束后，“O-X”鉸接頂梁結(jié)構(gòu)形成對(duì)側(cè)幫實(shí)體煤(下工作面煤體)的殘余支承應(yīng)力。

在本工作面回采時(shí)，本工作面采動(dòng)應(yīng)力與上工作面“O-X”鉸接頂梁結(jié)構(gòu)形成的殘余支承應(yīng)力相互疊加，致使工作面超前范圍應(yīng)力集中程度顯著增加，在本工作面堅(jiān)硬頂板巖層破斷時(shí)，出現(xiàn)周期來壓現(xiàn)象，支承應(yīng)力向前方煤體轉(zhuǎn)移，應(yīng)力集中程度加劇，超前范圍內(nèi)圍巖變形加劇，巷道維護(hù)困難，此時(shí)合理的煤柱寬度和支護(hù)結(jié)構(gòu)直接關(guān)系到巷道圍巖的穩(wěn)定控制。

3 綜放窄煤柱沿空掘巷技術(shù)

綜放窄煤柱沿空掘巷技術(shù)的關(guān)鍵點(diǎn)在于煤柱寬度和支護(hù)參數(shù)的確定，合理的煤柱寬度可改善圍巖應(yīng)力環(huán)境，而科學(xué)的支護(hù)參數(shù)可以實(shí)現(xiàn)巷道圍巖的穩(wěn)定控制。

1) 煤柱寬度的確定。采用FLAC3D數(shù)值模擬軟件模擬了不同煤柱寬度(3～10 m)下煤柱應(yīng)力演化特征，如圖2所示，當(dāng)煤柱寬度為3 m或4 m，煤柱應(yīng)力整體小于原巖應(yīng)力，煤體破碎嚴(yán)重，自身承載能力極小；當(dāng)煤柱寬度為5 m或6 m時(shí)，煤柱中存在一定寬度的穩(wěn)定承載區(qū)域，煤體具備一定的承載性能；當(dāng)煤柱寬度大于6 m時(shí)，煤柱內(nèi)應(yīng)力集中程度大幅度增加(應(yīng)力集中系數(shù)6～9)，巷道圍巖應(yīng)力環(huán)境極差，不利于巷道圍巖控制，因此，煤柱寬度確定為5～6 m較為適宜。

圖2 不同煤柱寬度下煤柱應(yīng)力分布特征

2) 沿空掘巷支護(hù)技術(shù)。采用“高強(qiáng)度錨桿+錨索+鋼筋梯子梁+金屬網(wǎng)”支護(hù)，支護(hù)斷面如圖3所示，具體支護(hù)參數(shù)如下：頂錨桿為長(zhǎng)度2.4 m、直徑22 mm的高強(qiáng)度錨桿，幫錨桿為長(zhǎng)度2.2 m、直徑22 mm的高強(qiáng)度錨桿，頂錨桿每排6根，幫錨桿每排4根，間排距700 mm×800 mm，每根錨桿配套120 mm×120 mm×10 mm的高強(qiáng)托盤和2支Z2360樹脂錨固劑，預(yù)緊扭矩不低于300 N·m，錨桿采用14 mm的圓鋼焊接而成的鋼筋梯子梁連接，頂板采用錨索加強(qiáng)支護(hù)，錨索為長(zhǎng)度7.3 m、直徑17.8 mm的預(yù)應(yīng)力鋼絞線，間距2 400 mm，排距800 mm，呈一排2根一排1根交替布置(212布置方式)，每根錨索配套280 mm×280 mm×19 mm的高強(qiáng)托盤和3支Z2360樹脂錨固劑，張拉預(yù)緊力不低于40 MPa；金屬網(wǎng)采用10號(hào)鐵絲編制的菱形網(wǎng)，頂網(wǎng)規(guī)格4.4 m×1.2 m，幫網(wǎng)規(guī)格2.7 m×1.2 m，網(wǎng)與網(wǎng)搭接寬度不低于0.1 m。

4 巷道圍巖控制效果分析

將提出的綜放窄煤柱沿空掘巷技術(shù)應(yīng)用于2103進(jìn)風(fēng)巷，煤柱寬度確定為5.0 m。技術(shù)應(yīng)用后，監(jiān)測(cè)了巷道圍巖變形情況。巷道掘進(jìn)期間，變形主要發(fā)生在掘巷10 d內(nèi)，該階段頂板累積下沉51 mm，實(shí)煤體幫累積移近26 mm，窄煤柱幫累計(jì)移近42 mm；巷道掘巷20 d后圍巖變形趨于穩(wěn)定，此時(shí)頂板累積下沉73 mm，實(shí)煤體幫累積移近34 mm，窄煤柱幫累計(jì)移近58 mm。在本工作面回采期間，巷道圍巖產(chǎn)生較大變形，巷道超前工作面30～60 m范圍，圍巖開始出現(xiàn)緩慢變形，變形速度小于1.0 mm/d；超前工作面10～30 m范圍，巷道圍巖變形速度加快，頂板下沉速度增加2.4 mm/d，實(shí)煤體幫移近速度增加至1.5 mm/d，窄煤柱幫移近速度增加至1.9 mm/d；超前工作面10 m范圍內(nèi)巷道圍巖快速變形，頂板累積下沉量達(dá)273 mm，實(shí)煤體幫累積移近量181 mm，窄煤柱幫累計(jì)移近量達(dá)232 mm。但整體看，在巷道掘進(jìn)和工作面回采期間，巷道圍巖變形均在允許范圍內(nèi)，圍巖控制效果相對(duì)良好，證明了綜放窄煤柱沿空掘巷技術(shù)的優(yōu)越性和可靠性。

圖3 支護(hù)斷面(mm)

5 結(jié) 語

合理的煤柱留設(shè)和支護(hù)方案是保證沿空掘巷成功與否的關(guān)鍵，分析了綜放窄煤柱沿空巷道覆巖活動(dòng)規(guī)律與穩(wěn)定性，指出采動(dòng)應(yīng)力與上工作面殘余支承應(yīng)力疊加致使巷道圍巖應(yīng)力集中程度顯著增加，同時(shí)工作面周期來壓繼續(xù)加劇巷道變形，導(dǎo)致巷道圍巖維護(hù)困難?；诖?，確定了合理的煤柱寬度，提出了綜放窄煤柱沿空掘巷支護(hù)技術(shù)，現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用結(jié)果證明了綜放窄煤柱沿空掘巷煤柱寬度與支護(hù)技術(shù)的優(yōu)越性和可靠性。