李萬名，趙啟峰，田 多，師皓宇

(1.開灤(集團(tuán))蔚州礦業(yè)公司崔家寨礦，河北 蔚縣 075700；2.華北科技學(xué)院安全工程學(xué)院，北京 東燕郊 101601； 3.華北科技學(xué)院教務(wù)處，北京 東燕郊 101601)

回采巷道支護(hù)參數(shù)和護(hù)巷煤柱的穩(wěn)定性決定著巷道的維護(hù)狀況和工作面的推進(jìn)速度，合理的煤柱尺寸和巷道支護(hù)參數(shù)不僅可以保證安全高效開采，而且可以減少煤炭資源損失，提高資源回收率[1-2]。崔家寨煤礦自投產(chǎn)以來，上下區(qū)段回采巷道之間一直靠經(jīng)驗(yàn)留設(shè)20 m寬的護(hù)巷煤柱，在上下區(qū)段同時(shí)開采情況下，由于受兩側(cè)固定支承壓力和超前支承壓力疊加影響，回采巷道礦壓顯現(xiàn)異常強(qiáng)烈[3]。在回采期間，巷道斷面收縮率達(dá)50～65%，至少須對巷道進(jìn)行一次擴(kuò)幫、臥底加固圍巖，造成巷道維護(hù)成本過高。為了合理優(yōu)化工作面間區(qū)段煤柱寬度，同時(shí)又有效控制回采巷道圍巖變形，需研究護(hù)巷煤柱應(yīng)力分布特征，確定區(qū)段煤柱合理寬度以及回采巷道合理支護(hù)參數(shù)，以實(shí)現(xiàn)區(qū)段煤柱的合理配置及巷道圍巖的穩(wěn)定性控制。本文將結(jié)合崔家寨礦E12505工作面地質(zhì)特征及開采技術(shù)條件，對該工作面動(dòng)壓巷道支護(hù)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，繼而研究區(qū)段煤柱的合理寬度，以確保采動(dòng)影響下回采巷道及區(qū)段煤柱圍巖穩(wěn)定。

圖1 崔家寨礦E12505工作面位置

1 工作面概況

E12505工作面位于崔家寨礦東二采區(qū)，工作面標(biāo)高853～872 m，平均埋深280 m。工作面走向長628 m，傾斜長150 m，如圖1所示。該面所采煤層平均厚度3.0 m，煤層傾角0～11°，平均5.5°。所采5#煤層頂板巖性主要為粘土巖、細(xì)砂巖、粉砂巖，直接頂為平均厚度3.06 m的砂質(zhì)泥巖，老頂為平均厚度5.3 m的細(xì)砂巖。底板以砂質(zhì)泥巖、細(xì)砂巖為主，直接底為平均厚度1.0 m的砂質(zhì)泥巖，老底為平均厚度4.8 m的灰色細(xì)砂巖。進(jìn)風(fēng)巷、回風(fēng)巷均沿煤層頂板布置，錨粱網(wǎng)索支護(hù)，巷道寬4.6 m，高3.2 m。E12505工作面與其相鄰的工作面之間留設(shè)20 m寬的區(qū)段煤柱，由于E12503工作面的側(cè)向支承壓力與E12505工作面的超前支承壓力相互疊加，致使兩工作面之間的區(qū)段煤柱受動(dòng)壓載荷的影響非常強(qiáng)烈，巷道變形也異常顯著。

2 采動(dòng)影響下回采巷道支護(hù)方案

2.1 支護(hù)參數(shù)理論計(jì)算

采動(dòng)影響下回采巷道支護(hù)參數(shù)的確定是煤礦開采中的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，可靠的巷道支護(hù)技術(shù)是實(shí)現(xiàn)礦井安全高產(chǎn)高效的必備條件[4]。根據(jù)崔家寨煤礦E12505工作面回采巷道地質(zhì)條件，本次支護(hù)參數(shù)設(shè)計(jì)的思路是：在錨桿支護(hù)的基礎(chǔ)上，采取小孔徑錨索補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)措施，防止錨固區(qū)外圍巖離層和塑性區(qū)擴(kuò)展，增強(qiáng)圍巖自身承載能力，最終達(dá)到控制圍巖穩(wěn)定的目的[5-6]。崔家寨礦E12505工作面動(dòng)壓巷道錨粱網(wǎng)索支護(hù)設(shè)計(jì)主要參數(shù)計(jì)算如下：

2.1.1 頂板錨桿支護(hù)參數(shù)

1) 錨桿長度

L=L1+kLp+L2

(1)

式中：k—安全系數(shù)，取1.2；L1—錨桿外露長度，取0.1 m；Lp—松動(dòng)圈厚度，根據(jù)E12505工作面上下順槽現(xiàn)場實(shí)測結(jié)果，取1.25～1.30 m；L2—錨桿錨入圍巖松動(dòng)圈之外的深度，取0.4 m。經(jīng)計(jì)算L=2.0～2.06 m。根據(jù)現(xiàn)場應(yīng)用實(shí)際情況，最終確定頂板錨桿長度L=2.2 m。

2) 錨桿直徑。根據(jù)錨桿承載能力和錨固力等強(qiáng)度原則確定錨桿直徑，計(jì)算公式如下：

(2)

式中：d—錨桿直徑，mm；Q—錨固力，由拉拔試驗(yàn)確定，一般為70～100 kN；σt—桿體材料抗拉強(qiáng)度，選擇左旋無縱筋螺紋鋼錨桿，強(qiáng)度取335 MPa。確定選用φ20 mm左旋無縱筋螺紋鋼錨桿。

3) 錨桿間排距。根據(jù)錨桿懸吊巖石載荷(G=a2L2γ)等于錨桿的錨固力(Q)來計(jì)算錨桿間排距。則

(3)

式中：a—錨桿間距，m；Q—錨桿的錨固力，一般為70～100 kN；K—錨桿安全系數(shù)，取K=1.5；γ—巖石平均容重，取25.0 kN/m3；L′—被錨固巖層厚度，取1.7 m。理論計(jì)算結(jié)合工程類比，確定錨桿間排距900×900 mm。

2.1.2 幫部錨桿支護(hù)參數(shù)

根據(jù)崔家寨礦實(shí)際情況，巷道兩幫支護(hù)采用φ18×2000 mm圓鋼錨桿，左右兩幫各4根，間排距800×800 mm。

2.1.3 錨索支護(hù)參數(shù)

為了適應(yīng)巷道復(fù)雜多變的特點(diǎn)，消除施工過程中的事故隱患，避免深部軟弱巖層界面產(chǎn)生離層導(dǎo)致頂板下沉和跨落，采用錨索加強(qiáng)支護(hù)，發(fā)揮其懸吊補(bǔ)強(qiáng)作用，錨索宜錨固在圍巖深部較穩(wěn)定的巖層中，長度按下式計(jì)算：

L=La+Lb+Lc+Ld

(4)

式中：L—錨索總長度，m；La—錨索深入到較穩(wěn)定巖層的錨固長度，取2.0 m；Lb—需懸吊的不穩(wěn)定巖層厚度，取3.06 m；Lc—上托板及錨具的厚度(≥0.1 m)，取0.15 m；Ld—需要外露的張拉長度(≥0.2 m)，取0.25 m?？紤]直接頂厚度的不均勻性和施工影響因素，安全系數(shù)取1.2，則錨索長度為：L=6.55 m。考慮到實(shí)際情況，取錨索長度為6.7 m。

2.1.4 金屬網(wǎng)支護(hù)參數(shù)

金屬網(wǎng)可以用來維護(hù)錨桿間的圍巖，防止松動(dòng)煤巖塊掉落。金屬網(wǎng)所能承受松散巖石的載荷與錨桿間距密切相關(guān)。根據(jù)崔家寨礦工程實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，決定采用菱形金屬網(wǎng)支護(hù)，規(guī)格為：7000 mm×1050 mm，使用12#鐵絲編織而成。

2.2 支護(hù)參數(shù)的確定

1) 頂板支護(hù)參數(shù)：頂板采用φ20×2200 mm左旋無縱筋螺紋鋼預(yù)應(yīng)力錨桿，配KT-M5鋼帶和菱形金屬網(wǎng)聯(lián)合支護(hù)。錨桿間排距900×900 mm，其中靠實(shí)體煤側(cè)和采空區(qū)側(cè)的頂板錨桿傾斜10°布置，其它錨桿垂直頂板布置，采用端頭加長錨固。在巷道頂板每隔2排錨桿布置1根錨索，錨索長6.7 m，直徑φ=15.24 mm。錨索采用1只K2360和2只Z2360樹脂錨固劑。

2) 兩幫支護(hù)參數(shù)：根據(jù)崔家寨礦實(shí)際情況，巷道兩幫支護(hù)采用φ18×2000 mm圓鋼錨桿，左右兩幫各4根，間排距800×800 mm。具體支護(hù)參數(shù)如圖2所示。

圖2 E12505工作面回采巷道支護(hù)方案設(shè)計(jì)

3 區(qū)段煤柱合理寬度

在理論計(jì)算動(dòng)壓回采巷道錨粱網(wǎng)索支護(hù)參數(shù)的基礎(chǔ)上，采用理論推導(dǎo)及數(shù)值模擬相結(jié)合的研究方法，對E12505工作面采動(dòng)應(yīng)力疊加影響下區(qū)段煤柱受力狀況進(jìn)行研究，全面考察動(dòng)壓巷道特定支護(hù)參數(shù)前提下，區(qū)段煤柱受采動(dòng)影響的應(yīng)力分布特點(diǎn)，為確定合理的煤柱寬度提供參考依據(jù)。

3.1 煤柱寬度的理論計(jì)算

合理煤柱的留設(shè)寬度是煤柱兩側(cè)極限平衡區(qū)寬度和中心彈性區(qū)煤體的臨界尺寸之和，每側(cè)極限平衡區(qū)的大小與該側(cè)的采動(dòng)情況密切相關(guān)[7-8]。如圖3所示，合理的煤柱寬度B為：

B=x1+x2+x3

(5)

式中：x1—上區(qū)段工作面(E12503工作面)回采過程中，在煤柱中產(chǎn)生的極限平衡區(qū)寬度；x2—錨桿錨入煤柱的深度，由E12505工作面回采巷道掘進(jìn)時(shí)產(chǎn)生的破碎區(qū)和塑性區(qū)寬度來確定；x3—安全系數(shù)，x3=(0.15～0.35)(x1+x2)。

圖3 區(qū)段煤柱寬度理論計(jì)算

3．1.1 上區(qū)段工作面開采在煤柱中產(chǎn)生的極限平衡區(qū)寬度x1

采空區(qū)側(cè)的煤體可對應(yīng)地分為三個(gè)區(qū)：破碎區(qū)、塑性區(qū)、彈性區(qū)，破碎區(qū)和塑性區(qū)稱為極限平衡區(qū)。在平面應(yīng)變情況下，取整個(gè)處于極限強(qiáng)度范圍內(nèi)煤體作為研究對象，可以求得極限平衡區(qū)寬度：

(6)

式中：M—區(qū)段平巷高度，m；β—側(cè)壓系數(shù)，β=μ/(1-μ)，μ為泊松比；φ0—煤體內(nèi)摩擦角；k—應(yīng)力集中系數(shù)；γ0—巖層平均體積力，kN/m3；H—巷道埋深，m；α—煤層的傾角；C0—煤體粘聚力，MPa；px—上區(qū)段平巷支架對下幫的支護(hù)阻力(在采空區(qū)側(cè)取0)，kN/m。

對于崔家寨礦E12505工作面，取M=3.0 m，β=0.304，μ=0.233,φ0=41.1°，k=2.4，γ0=25 kN/m3，H=280 m，α=5.5°，C0=3.22 MPa。由此求出極限平衡區(qū)寬度為：x1=2.56 m。

3.1.2 錨桿錨入煤柱的深度x2

根據(jù)前述巷道支護(hù)參數(shù)理論計(jì)算結(jié)果，E12505回采巷道兩幫支護(hù)采用φ18×2000 mm圓鋼錨桿，錨桿總長2.0 m，按外露部分0.1 m計(jì)算，則錨桿錨入煤體的深度為1.90 m。

3.1.3 安全系數(shù)x3

x3=(0.15～0.35)(x1+x2)

=(0.15～0.35)×(2.56+1.90)

=(0.67～1.56)m

3.1.4 合理煤柱寬度：

B=x1+x2+x3

=2.56+1.90+(0.67～1.56)

=(5.13～6.02)m

3.2 煤柱寬度的數(shù)值模擬

1) 模擬方案：參照E12505工作面附近的CZ6鉆孔柱狀建立數(shù)值計(jì)算模型，采用FLAC3D數(shù)值模擬軟件，研究不同煤柱寬度情況下煤柱應(yīng)力分布及巷道圍巖變形特征，以求綜合分析確定合理煤柱留設(shè)寬度[9-10]。基于E12505工作面回采巷道特定的支護(hù)參數(shù)和煤層開采條件，共設(shè)計(jì)7個(gè)模型，分別模擬煤柱寬度為3 m、5 m、7 m、10 m、15 m、20 m和25 m。三維計(jì)算模型如圖4所示。

圖4 三維計(jì)算模型剖面網(wǎng)格圖

2) 模擬結(jié)果：模擬運(yùn)算過程中對煤柱應(yīng)力、巷道圍巖變形進(jìn)行監(jiān)測。①煤柱應(yīng)力方面：根據(jù)不同寬度的煤柱垂直應(yīng)力云圖可知，煤柱寬度為5 m、7 m時(shí)垂直應(yīng)力變化不大，但煤柱為7 m時(shí)，在中央產(chǎn)生一個(gè)小的應(yīng)力核，表明此時(shí)煤柱具有一定的承載能力；煤柱寬度為7～15 m時(shí)，應(yīng)力變化較明顯；當(dāng)煤柱寬度繼續(xù)增大到20 m、25 m時(shí)，應(yīng)力變化趨于平緩。②巷道圍巖變形方面：煤柱寬度為3～5 m 時(shí)，煤柱處于加速蠕變變形狀態(tài)，巷道變形破壞嚴(yán)重，難以承受采動(dòng)應(yīng)力疊加的影響，錨桿及錨索沒有較堅(jiān)實(shí)的著力基礎(chǔ)，致使圍巖變形破壞嚴(yán)重，巷道維護(hù)困難；煤柱寬度為7～10 m情況下，巷道變形在容許的范圍內(nèi)，盡管煤柱有一定程度的破壞，但可以承受動(dòng)載影響，能夠達(dá)到安全生產(chǎn)的需要，并且資源利用率較高。基于數(shù)值模擬分析確定E12505工作面動(dòng)壓巷道區(qū)段煤柱留設(shè)寬度為7 m。

3.3 合理煤柱寬度確定

崔家寨礦5#煤層按經(jīng)驗(yàn)留設(shè)的20 m寬的大煤柱有較大富余量，基于上述理論計(jì)算和數(shù)值模擬分析，確定E12505工作面合理煤柱寬度為6～7 m。

4 煤柱留設(shè)及巷道圍巖支護(hù)效果監(jiān)測

依據(jù)上述研究成果，崔家寨煤礦將后續(xù)工作面E13603與其臨近的E13601工作面之間的區(qū)段煤柱寬度縮減至7 m，為驗(yàn)證煤柱縮小后的圍巖穩(wěn)定性和巷道支護(hù)效果，技術(shù)人員在E13603工作面回風(fēng)巷內(nèi)布置巷道表面位移、深部位移、錨桿受力、頂板離層等觀測站，從測點(diǎn)布置完畢即開始每天下井觀測記錄，直至工作面回采至測點(diǎn)破壞為止，觀測期間，工作面共推進(jìn)115 m，歷時(shí)56天。其中巷道圍巖表面位移監(jiān)測結(jié)果如圖5 所示：隨著工作面的推進(jìn)，在距離工作面前方65 m以外，巷道變形量和變形速度均不明顯；在距工作面前方35 m以內(nèi)時(shí)，巷道圍巖變形增量明顯，頂?shù)装遄畲笞冃瘟?15 mm，移近速度最大5.8 mm/d，兩幫最大變形量185 mm，收斂速度最大4.7 mm/d。由監(jiān)測數(shù)據(jù)可知，優(yōu)化煤柱留設(shè)寬度和支護(hù)參數(shù)后，巷道變形量和變形速度均能控制在允許范圍之內(nèi)，既增強(qiáng)了巷道及煤柱圍巖整體承壓能力，確保了工作面的安全順利回采，又節(jié)約了煤炭資源，提高了采出率。

圖5 E13603回風(fēng)巷圍巖位移曲線

5 結(jié)論

1) 根據(jù)現(xiàn)場開采條件，采用理論計(jì)算和數(shù)值模擬手段，研究確定了崔家寨煤礦5#煤層回采巷道合理支護(hù)參數(shù)和區(qū)段煤柱合理寬度(6～7 m)，使煤柱及回采巷道布置在側(cè)向應(yīng)力降低區(qū)，既確保煤柱自身穩(wěn)定，又使得巷道圍巖變形在可控范圍內(nèi)。

2) 針對崔家寨礦壓顯現(xiàn)特點(diǎn)，在回采巷道采用高強(qiáng)度錨梁網(wǎng)索聯(lián)合支護(hù)及區(qū)段煤柱合理留設(shè)技術(shù)，控制動(dòng)壓巷道圍巖變形，具體施工過程中還應(yīng)加強(qiáng)施工質(zhì)量監(jiān)測，確保煤柱尺寸、錨桿、錨索支護(hù)強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

3) 區(qū)段煤柱留設(shè)應(yīng)有利于煤柱和回采巷道

圍巖穩(wěn)定。數(shù)值模擬結(jié)果表明，煤柱較小時(shí)，隨煤柱寬度增大，巷道圍巖變形量減小。煤柱過窄，不但煤柱遭受破壞，而且巷道圍巖整體穩(wěn)定性變差。因此，并不是窄煤柱越小圍巖越穩(wěn)定，窄煤柱寬度有一個(gè)合理的值。

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