仝 峰，張召千，谷 愷，景康飛

(太原理工大學(xué) 礦業(yè)工程學(xué)院，山西 太原 030024)

孤島工作面小煤柱合理尺寸與支護研究

仝 峰，張召千，谷 愷，景康飛

(太原理工大學(xué) 礦業(yè)工程學(xué)院，山西 太原 030024)

針對特殊的孤島工作面伴隨沖擊地壓現(xiàn)象的煤柱留設(shè)及巷道支護問題，對工作面上覆巖層“T”型結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性特征進行了分析，計算出小煤柱理論最小寬度。運用UDEC數(shù)值模擬比較了留設(shè)不同煤柱尺寸下采場圍巖的穩(wěn)定性，并對30222工作面回采巷道進行錨噴注漿支護。研究表明：“T”型結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性決定了小煤柱尺寸的留設(shè)，留設(shè)不同寬度煤柱時，采場礦山壓力顯現(xiàn)有較明顯的差異。針對30222孤島工作面，留設(shè)7m寬度的小煤柱時，礦山壓力顯現(xiàn)相對較緩和，錨噴支護后，護巷煤柱和回采巷道頂?shù)装宓南鄬ψ冃瘟烤^小，效果明顯。

孤島工作面；沿空巷道；“T”型結(jié)構(gòu)；小煤柱；錨噴支護

RationalDimensionofSmallCoal-pillarandSupportinginMiningFaceSurroundedbyGobs

煤柱是回采巷道圍巖的重要組成部分，煤柱留設(shè)寬度直接影響著巷道圍巖控制成本和礦區(qū)煤炭資源采出率[1]。三元小常煤業(yè)3號煤層綜放工作面區(qū)段煤柱留設(shè)在15～30m不等時，區(qū)段回采巷道在掘進階段礦壓顯現(xiàn)劇烈，部分地段錨桿托板壓裂、壓壞，錨固失效，需二次維護。為此采取較小寬度護巷煤柱。且留設(shè)小煤柱有利于充分發(fā)揮錨桿支護技術(shù)的作用，促使錨桿-圍巖共同體的形成，符合錨桿支護技術(shù)的要求。

1 30222孤島工作面地質(zhì)概況

30222采煤工作面北鄰30223采空區(qū)，南鄰30221采空區(qū)，西為實體煤，東接302采區(qū)膠帶下山，井下標高450～530m。30222采煤工作面走向長度1545m，傾向長176.5m(煤柱留設(shè)前)，可采儲量1.88Mt。30222所采3號煤層位于山西組中下部，煤層厚度4.73～8.44m，平均6.82m。該煤層結(jié)構(gòu)簡單—復(fù)雜，f=1.5。頂板為砂質(zhì)泥巖、泥巖，局部為粗粒砂巖，f=3；底板為砂質(zhì)泥巖、泥巖，f=3。試驗測得該礦480m外，σv=11.7MPa，σμ=13.1MPa，σh=7.1MPa，最大水平主應(yīng)力方向N47°E。通過對302采區(qū)軌道下山頂板進行鉆孔窺視以及綜合整個礦區(qū)的地質(zhì)特征繪制出30222工作面地質(zhì)綜合柱狀圖，如圖1所示。

圖1 30222工作面地質(zhì)綜合柱狀

2 30222孤島工作面圍巖力學(xué)結(jié)構(gòu)分析

2.130222孤島工作面形成后采場圍巖“T”結(jié)構(gòu)特性[2]

30222孤島工作面在形成過程中，在兩側(cè)工作面均采空的影響條件下，在孤島面開采前，其上覆巖層局部區(qū)域已發(fā)生破壞，其覆巖結(jié)構(gòu)從剖面位置上看類似大寫字母“T”，故以“T”型結(jié)構(gòu)表示此類孤島面覆巖結(jié)構(gòu)，此結(jié)構(gòu)與孤島面礦壓顯現(xiàn)及沖擊礦壓的發(fā)生密切相關(guān)。

根據(jù)30222孤島面實際情況，結(jié)合礦山壓力與圍巖控制的關(guān)鍵層理論，孤島面三面均為大面積采空區(qū)，區(qū)段之間布置為沿空掘巷留煤柱，因此各采空區(qū)的覆巖結(jié)構(gòu)可近似認為整體大采空區(qū)結(jié)構(gòu)，屬于兩側(cè)充分采動，為對稱結(jié)構(gòu)，上覆主關(guān)鍵層出現(xiàn)不同程度的斷裂，根據(jù)對已有“T”型結(jié)構(gòu)的研究，此孤島面覆巖符合短臂對稱“T”型結(jié)構(gòu)特征，如圖2所示。

圖2 短臂對稱“T”結(jié)構(gòu)

2.2 30222孤島工作面回采時反弧形結(jié)構(gòu)分析

邊角孤島工作面在三面采空的條件下，采空區(qū)邊緣覆巖變形結(jié)構(gòu)為正梯形，從下往上巖層斷裂呈依次遞減的“O-X”型，將導(dǎo)致孤島面承壓點由下而上逐次向外移動，從而使采場上覆巖層形成圈狀的整體板狀結(jié)構(gòu)，使該結(jié)構(gòu)大致處于懸臂梁狀態(tài)，區(qū)別于一般工作面承壓板狀結(jié)構(gòu)，呈反弧形。根據(jù) 30222 邊角孤島工作面各推進方向及采掘順序，其反弧形覆巖結(jié)構(gòu)如圖3中環(huán)形輪廓線所示。

圖3 邊角孤島工作面反弧形覆巖結(jié)構(gòu)

2.3 30222孤島工作面圍巖應(yīng)力分布特征

孤島工作面處于特殊的三面采空的圍巖結(jié)構(gòu)，伴隨著孤島面采空區(qū)上覆巖層逐漸趨于穩(wěn)定，其上覆巖層的重量將重新進行分布，導(dǎo)致其重量附加作用于采場周邊實煤體或工作面?zhèn)?，圍巖將與采空區(qū)上覆巖層受采動影響所形成的“三帶”形成板狀結(jié)構(gòu)，使采空區(qū)周邊范圍內(nèi)形成支承壓力帶；此時采空區(qū)所受應(yīng)力小于原巖應(yīng)力γH，處于應(yīng)力降低區(qū)，而采空區(qū)周邊煤體或工作面?zhèn)葎t處于應(yīng)力集中區(qū)(KγH)，K值范圍為2～5，此時其應(yīng)力高于原巖應(yīng)力，從而導(dǎo)致孤島工作面分別承受3個采空區(qū)支承應(yīng)力的疊加重復(fù)作用，其圍巖應(yīng)力分布示意如圖4所示。

圖4 孤島工作面圍巖應(yīng)力分布

2.4 工作面留設(shè)小煤柱寬度計算

2.4.1 煤體內(nèi)支承壓力峰值位置計算[3]

圖5所示為采空區(qū)側(cè)彈塑性變形區(qū)與煤體垂直應(yīng)力σy的分布[3]。從煤體邊緣至其深部依次分為破裂區(qū)、塑性區(qū)、彈性區(qū)及原巖應(yīng)力區(qū)，若采空區(qū)周邊煤體處于彈性變形區(qū)，則其垂直應(yīng)力曲線如圖5中彈性應(yīng)力分布曲線所示[4]。若煤體處于彈塑性變形區(qū)，則其垂直應(yīng)力曲線如圖5中彈塑性應(yīng)力分布曲線所示。此時，在彈性區(qū)范圍內(nèi)，距采空區(qū)邊緣越近，垂直應(yīng)力σy越大。在煤體中，存在著支承壓力與煤體自身承載能力的平衡，此時兩者均達到極限狀態(tài)，運用此時的極限平衡，煤體邊緣距支承壓力峰值的寬度X0為[4]：

式中，m為工作面采高，m；A為側(cè)壓系數(shù)，泊松比u，A=u/(1-u)；φ0為煤體內(nèi)的摩擦角，(°)；C0為煤體黏聚力，MPa；K為應(yīng)力集中系數(shù)；γ為上覆巖層平均容重，MN/m3；H為巷道埋深，m；PZ為回采巷道的支護阻力，MPa。

Ⅰ-破裂區(qū)；Ⅱ-塑性區(qū)；Ⅲ-彈性區(qū)應(yīng)力升高部分；Ⅳ-原巖應(yīng)力區(qū)

2.4.2 煤柱寬度計算[5]

根據(jù)三元南耀小常煤礦30222工作面的實際情況，30222工作面采煤高度為3.0m，放煤高度平均為3.5m，煤體的黏聚力C=1.93MPa，考慮到在采動影響下煤柱節(jié)理裂隙發(fā)育，C取1.5MPa，內(nèi)摩擦角為24.3°，側(cè)壓系數(shù)取A=u/(1-u)，u=0.35，則A=0.54，應(yīng)力集中系數(shù)一般為2～5，此處考慮到煤柱內(nèi)裂隙和煤柱尺寸較小，K取4，上覆巖層平均容重取0.025MN/m3，巷道埋深400m，工作面巷道煤幫的支護阻力PZ=0，代入上述公式得x0=10.4m，即支承壓力峰值位置位于煤壁內(nèi)10.4m處，在留設(shè)小煤柱時，應(yīng)盡力將煤柱[5]留設(shè)在應(yīng)力降低區(qū)內(nèi)，所以小煤柱的留設(shè)寬度B應(yīng)小于X0的2/3范圍之內(nèi)。即煤柱寬度宜小于6.9m。

3 30222工作面小煤柱的數(shù)值分析[6]

3.1 數(shù)值模擬方案

為了選擇合理的煤柱寬度，采用UDEC通用離散元程序數(shù)值計算，計算模型以三元南耀小常煤礦30222工作面為原型，模型尺寸為130m×35m，上邊界載荷按250m模擬，模型底板為固定邊界條件，左右為水平方向固定條件，頂?shù)装鍎澐譃?m×2m的塊體，煤柱為研究對象，將煤層劃分為1m×0.5m的塊體。對比6m，7m，8m煤柱下巷道和煤柱圍巖相對變形量較小的方案。具體力學(xué)參數(shù)如表1所示。

表1 巷道圍巖物理力學(xué)參數(shù)

3.2 各方案數(shù)值模擬結(jié)果分析[7]

30222孤島工作面在留設(shè)3種不同寬度煤柱尺寸下進行沿空掘巷，分別在巷道煤柱、煤壁及頂板側(cè)布置1條位移觀測線，測點間距頂板為1m,兩幫為1.25m。不同尺寸煤柱下回采巷道的垂直位移分布曲線見圖6所示。

巷道留設(shè)6m，7m，8m煤柱時巷道頂板均分別布置7個位移測點，取其中較為明顯的4個。如圖6曲線所示，表示各測點位移軌跡，實時反映監(jiān)測點位移變化。留設(shè)6m煤柱時，垂直位移最大為800mm；留設(shè)7m煤柱時，垂直位移最大為530mm；留設(shè)8m煤柱時，垂直位移最大為600mm。

圖6 回采巷道頂板垂直位移分布曲線

綜合考慮理論計算、數(shù)值模擬，結(jié)合現(xiàn)場施工及煤柱采空側(cè)片幫等因素確定煤柱留設(shè)尺寸為7m。

4 煤柱及回采巷道支護方案[8]

30222風(fēng)巷為煤巷，巷道凈斷面尺寸為寬4.3m×高3.0m，斷面面積12.9m2。為保證煤柱和回采巷道圍巖的穩(wěn)定性，30222工作面風(fēng)巷采用錨網(wǎng)支護+錨索補強+噴漿+煤柱側(cè)注漿聯(lián)合支護。

4.1 錨桿支護參數(shù)

4.1.1 錨桿參數(shù)

錨桿長度：L=b+a′·cotα+L0

式中，b為加固拱厚度，取1.4m；a′為錨桿間距，取0.8m；α為錨桿支護控制角，取45°；L0為錨桿外露長度，取0.05m。

計算可得：L=2.25，取錨桿長度2.4m，間距0.8m，排距為0.8m。

頂板每排6根錨桿，靠近兩幫的2根頂錨桿距巷幫為250mm，預(yù)緊力大于50kN，錨固力需達到120kN。兩幫每排每幫布置4根錨桿，最上部錨桿距頂板300mm、最下部錨桿距底板各400mm，預(yù)緊力大于50kN，錨固力需達到100kN以上。

4.1.2 頂板錨索參數(shù)

錨索長度：L=L0+Δ

式中，L0為被懸吊松散巖層厚度，以4.0m厚的頂煤、3.0m厚泥巖計算；Δ為錨索錨固長度與外露長度之和，取2.0m，合計9m；取L=9.3m。

錨索小三花布置，直徑17.8mm，2根錨索的一排錨索分別布置在巷道中心線兩側(cè)(分別距巷幫1450mm)，間距1600mm；單根錨索的一排，錨索布置在巷道中心線上，排距800mm，垂直頂板布置。預(yù)緊力120～150kN，錨固力250kN以上。

幫錨索布置在采空區(qū)一側(cè)巷幫，長度為5.0m，直徑17.8mm錨索每排2根，間距1300mm，排距1600mm，上部錨索距頂板800mm，下部錨索距底板1000mm，錨索垂直兩幫水平布置。幫錨索預(yù)緊力100kN錨固力需達200kN以上。

4.2 煤柱側(cè)注漿加固參數(shù)

注漿材料選用高水速凝材料，漿液的水灰比為1.5∶1,注漿工作應(yīng)在噴漿工作之后開始，注漿工作時間應(yīng)在掘進后30d進行。注漿深度3.5m，壓力為1.0～1.5MPa，漿液擴散半徑為1.0～1.5m，采取間隔交替注漿方式。注漿量須保證巷道圍巖裂隙被充填密實，每個注漿孔的注漿量可初步估算為50～70kg/m左右。注漿孔布置為：排距0.8m，孔深2.5m，見圖7。

圖7 30222回采巷道煤柱側(cè)注漿孔布置

4.3 支護方案實施效果

基于理論分析和數(shù)值模擬得到的結(jié)果，在錨網(wǎng)支護，錨索補強，噴漿、注漿支護的條件下，進行了回采巷道變形監(jiān)測。對巷道兩幫及底板的移近量和移近速度進行了實測，結(jié)果如圖8所示。

圖8 回采巷道位移曲線

對回采巷道進行支護優(yōu)化后，隨著工作面向前推進，回采巷道頂板和兩幫位移都有所變化。當工作面推進到距測點36.5m時，兩幫開始發(fā)生較明顯變形；當工作面推進到距測點27m時，巷道的頂?shù)装遄冃嗡俣乳_始明顯增大，頂?shù)装遄畲笠平俣葹?7mm/d；頂板最大下沉量為177mm,兩幫最大移近量為270mm。實踐表明，上述支護方案對采場圍巖變形起到了控制作用，促使圍巖與錨桿支護形成了共同承載體，巷道的變形均在預(yù)計范圍內(nèi)，斷面滿足通風(fēng)和運輸要求。

5 結(jié)論

(1)在小常煤業(yè)30222孤島工作面形成后，其上覆圍巖呈短壁對稱“T”型結(jié)構(gòu)，其穩(wěn)定性對孤島面沿空巷道的穩(wěn)定性和應(yīng)力分布均有較大影響。

(2)回采過程中，孤島三面采空情況下，采場圍巖呈反弧形，超前支承壓力集中系數(shù)和側(cè)向支承壓力集中系數(shù)均比正常工作面高，而且受采動應(yīng)力場影響極大。

(3)理論計算和數(shù)值模擬所得到的結(jié)論大致相同，當煤柱寬度為7m時，回采巷道垂直位移較小，最有利于采場圍巖的控制，同時有利于資源回收和巷道維護綜合利益最大化。

(4)對回采巷道和煤柱錨噴和注漿支護，促使圍巖-支護共同體的形成，達到了預(yù)期效果，取得了較好收益。

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[責(zé)任編輯：姜鵬飛]

2014-05-30

10.13532/j.cnki.cn11-3677/td.2014.05.018

仝 峰(1987-)，男，山西大同人，碩士研究生。

仝 峰，張召千，谷 愷，等.孤島工作面小煤柱合理尺寸與支護研究[J].煤礦開采，2014，19(5)：61-64.

TD353

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1006-6225(2014)05-0061-04