虎 鵬

(中鋁寧夏能源集團(tuán)有限公司寧夏王洼煤業(yè)有限公司，寧夏 固原 756505)

0 引言

寧夏王洼煤業(yè)有限公司王洼二礦110507工作面采用單一走向長(zhǎng)壁后退式、綜合機(jī)械化低位放頂煤工藝開采。為了降低采區(qū)煤柱的損失量，110507工作面將采用留窄煤柱沿空掘巷的工藝進(jìn)行巷道的掘進(jìn)，兩條順槽斷面為拱形，寬度為4 200 mm，高度為3 700 mm。該工作面所采5#煤層平均厚度11 m，平均埋深500 m。工作面西鄰110505采空區(qū)，東鄰未開采的210501工作面，南鄰21采區(qū)軌道下山，北鄰井田北翼邊界，此工作面南北走向1 420 m，傾斜長(zhǎng)190 m。

1 沿空掘巷合理寬度的窄煤柱留設(shè)

1.1 沿空巷道窄煤柱寬度上下限的理論計(jì)算

沿空巷道留設(shè)窄煤柱寬度：由礦方地測(cè)科數(shù)據(jù)可知，110507綜放工作面的內(nèi)應(yīng)力場(chǎng)范圍S為11.6 m，為了避免所留設(shè)窄煤柱和沿空巷道處于應(yīng)力升高區(qū)，需要將沿空巷道布置在110507綜放工作面的內(nèi)應(yīng)力場(chǎng)范圍內(nèi)，即內(nèi)應(yīng)力場(chǎng)的寬度不應(yīng)小于沿空巷道的寬度L1與沿空巷道所留設(shè)窄煤柱寬度L2之和[1-2]，公式為S≥L1+L2。通過計(jì)算得出110507綜放工作面沿空掘巷窄煤柱的寬度L2≤7.4 m。

極限平衡理論下窄煤柱寬度：根據(jù)沿空掘巷護(hù)巷煤柱的極限平衡理論可知沿空掘巷中合理的窄煤柱寬度計(jì)算公式為

L3=X1+X2+X3

(1)

式中：X1—上區(qū)段回采后煤體中塑性區(qū)的寬度[3-4]；X2—錨桿的長(zhǎng)度，取2.4 m；X3—煤柱的安全系數(shù)，取(X1+X2)的15%～35%。

110507綜放工作面上區(qū)段回采后煤體中塑性區(qū)的寬度計(jì)算公式如下

(2)

式中：m—煤層厚度，取11 m；A—側(cè)壓系數(shù)，取0.42；K—應(yīng)力集中系數(shù)，經(jīng)過實(shí)驗(yàn)取2.5；H—巷道埋深，取500 m；γ—巖層的平均容重，取14.3 kN/m3；C0—煤層的內(nèi)聚力，取0.68 MPa；φ0—煤層的內(nèi)摩擦角，取45°；Px—所掘巷道受到的支護(hù)力，取0.16 MPa。將各項(xiàng)數(shù)據(jù)帶入上式，即可計(jì)算得出110507工作面上區(qū)段回采后側(cè)向煤體中的塑性區(qū)范圍X1為2.3 m。最終求得沿空掘巷護(hù)巷煤柱的極限平衡理論下煤柱寬度L3的范圍為4.1～6.3 m，即110507綜放面沿空掘巷窄煤柱的寬度最小為4.1 m。

1.2 沿空巷道合理窄煤柱寬度的數(shù)值分析

模型的建立：以王洼二礦110507工作面沿空掘巷回風(fēng)順槽為研究對(duì)象，根據(jù)110507綜放工作面回風(fēng)順槽的圍巖物理力學(xué)參數(shù)，同時(shí)借鑒類似綜放面的窄煤柱留設(shè)經(jīng)驗(yàn)[5-6]，通過FLAC3D軟件建立王洼二礦110507工作面沿空掘巷模型，研究110507工作面回風(fēng)順槽掘進(jìn)過程中4 m、5 m、6 m、7 m、8 m寬度窄煤柱護(hù)巷時(shí)回風(fēng)順槽的圍巖應(yīng)力及其變形規(guī)律。結(jié)合煤層埋深和礦方提供的數(shù)據(jù)，模型上方施加9.8 MPa的等效載荷，相當(dāng)于埋深500 m，模型Y方向和X方向分別施加17 MPa和12.2 MPa的水平應(yīng)力，模型邊界受到約束，最終所建模型X×Y×Z=210 m×300 m×82.5 m。

垂直應(yīng)力分析：圖1為數(shù)值模擬所得到的不同寬度煤柱護(hù)巷時(shí)回風(fēng)順槽掘進(jìn)期間煤柱幫垂直應(yīng)力分布圖。由圖1可以發(fā)現(xiàn)，煤柱幫垂直應(yīng)力峰值隨著煤柱寬度的增加而增加。護(hù)巷煤柱的寬度為4 m和5 m時(shí)，巷道掘巷期間煤柱幫垂直應(yīng)力峰值約為12.5 MPa和13.3 MPa，均小于原巖應(yīng)力；護(hù)巷煤柱的寬度為6 m時(shí)，垂直應(yīng)力峰值增加至17.5 MPa；護(hù)巷煤柱的寬度為7 m、8 m時(shí)，雖然煤柱幫垂直應(yīng)力峰值仍有所提升，但是較6 m煤柱護(hù)巷時(shí)的垂直應(yīng)力峰值增幅較小，分別為17.8 MPa和19 MPa。究其原因是因?yàn)? m、5 m煤柱尚未形成足夠的承載能力，不能夠充分承載覆巖載荷，而6 m煤柱已經(jīng)有足夠的承載能力，所以7 m、8 m煤柱內(nèi)的垂直應(yīng)力峰值增幅較小。

圖1 不同煤柱寬度護(hù)巷掘巷期間煤柱幫應(yīng)力分布圖

表面位移量分析：通過模擬，得到不同寬度煤柱護(hù)巷條件下，回風(fēng)順槽沿空掘巷掘進(jìn)穩(wěn)定期間巷道表面的位移量，見表1。護(hù)巷煤柱的寬度從4 m增加到8 m，回風(fēng)順槽掘進(jìn)期間巷道兩幫的移近量從580 mm減小到169 mm，頂板移近量從633 mm減小到132 mm，說(shuō)明較寬的煤柱具備較高的承載能力，能夠限制圍巖的變形量。觀察數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)6 m窄煤柱護(hù)巷時(shí)，兩幫變形量較4 m、5 m煤柱分別減少了64.7%和55.3%，頂板移近量較4 m、5 m煤柱分別減少了68.7%和62.9%；而7 m、8 m煤柱較6 m煤柱護(hù)巷時(shí)的兩幫變形量?jī)H減少了10.2%和17.5%，頂板移近量?jī)H減少了10.1%和33.3%。并且6 m窄煤柱護(hù)巷時(shí)回風(fēng)順槽掘進(jìn)穩(wěn)定期間巷道表面位移量已經(jīng)限制在允許變形范圍內(nèi)，因此從經(jīng)濟(jì)角度考慮，應(yīng)選取6 m窄煤柱護(hù)巷。

表1 110507工作面回風(fēng)順槽沿空掘巷掘進(jìn)穩(wěn)定期間巷道表面位移量

綜上，從煤柱的承載覆巖載荷的能力及限制巷道圍巖變形等方面綜合考慮，最終選定110507工作面回風(fēng)順槽的護(hù)巷煤柱為6 m。

2 110507回風(fēng)順槽沿空掘巷支護(hù)設(shè)計(jì)效果

2.1 110507工作面回風(fēng)順槽支護(hù)設(shè)計(jì)

根據(jù)礦方地質(zhì)資料，設(shè)計(jì)110507工作面回風(fēng)順槽支護(hù)方式為錨網(wǎng)索聯(lián)合支護(hù)，支護(hù)示意圖如圖2所示。

錨網(wǎng)支護(hù)：選用φ20 mm×2 500 mm的右旋等強(qiáng)螺紋鋼錨桿，每根錨桿配備2節(jié)K2370樹脂藥卷，頂板錨桿的間排距均為800 mm，巷幫錨桿的間距為700 mm，排距為800 mm。錨桿托板采用的是150 mm×150 mm×10 mm的鐘型托盤，全斷面鋪設(shè)金屬網(wǎng)，金屬網(wǎng)采用φ6.5 mm圓鋼焊制，網(wǎng)孔間距100 mm，采用14#雙股鉛絲雙排扣扣相聯(lián)，每排共計(jì)布置13根錨桿[7-9]。

圖2 110507工作面回風(fēng)順槽斷面及展開支護(hù)示意圖

鋼筋梯支護(hù)：斷面拱部錨桿(7根)與鋼筋梯同排布置，鋼筋梯采用的是φ16 mm的圓鋼焊制，其長(zhǎng)度為5 750 mm。每根鋼筋梯由兩根φ16 mm的圓鋼平行并排焊接而成，并排外徑寬度為102 mm，內(nèi)徑寬度為70 mm，每隔800 mm焊接外徑間距為116 mm。

錨索支護(hù)：選用φ21.6 mm×5 000 mm的錨索，錨索排距2 400 mm，間距2 000 mm，斷面每排布置7根錨索。每根頂錨索配備4節(jié)K2370樹脂藥卷，每根幫錨索配備2節(jié)K2370樹脂藥卷，錨索托盤選用拱形托盤，規(guī)格為300 mm×300 mm×16 mm。

經(jīng)過基于懸吊理論的驗(yàn)算[10-11]，本次支護(hù)設(shè)計(jì)各項(xiàng)參數(shù)滿足巷道支護(hù)要求。

2.2 支護(hù)效果

測(cè)點(diǎn)布置：為了檢驗(yàn)所設(shè)計(jì)的支護(hù)方案并對(duì)前文中窄煤柱寬度的理論分析、數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證，現(xiàn)采用十字測(cè)量法在巷道內(nèi)距掘進(jìn)頭0～150 m的范圍內(nèi)，每隔30 m布置一個(gè)觀測(cè)站，布置1、2、3、4、5共5個(gè)觀測(cè)站來(lái)監(jiān)測(cè)巷道表面位移量。通過在1、3、5觀測(cè)站內(nèi)的實(shí)體煤幫和煤柱幫布置多點(diǎn)位移計(jì)，來(lái)監(jiān)測(cè)巷道圍巖的深部位移。實(shí)體煤幫側(cè)距煤壁每隔1 m布置一個(gè)測(cè)點(diǎn)，共5個(gè)，煤柱幫側(cè)煤壁每隔1 m布置一個(gè)測(cè)點(diǎn)，共4個(gè)。各個(gè)觀測(cè)站內(nèi)每周進(jìn)行3次觀測(cè)，直至圍巖變形穩(wěn)定。

最大圍巖移近量：表2為巷道掘進(jìn)期間回風(fēng)順槽最大圍巖移近量數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)表。可以發(fā)現(xiàn)，除1號(hào)測(cè)點(diǎn)因距離掘進(jìn)頭較近，兩幫移近量和頂?shù)装逡平柯源螅渌麥y(cè)點(diǎn)的兩幫移近量均在200 mm左右，頂?shù)装逡平烤?00 mm左右，與數(shù)值模擬結(jié)果相近，并且控制在允許變形范圍內(nèi)，能夠保證回風(fēng)順槽的正常掘進(jìn)作業(yè)和運(yùn)行。

圍巖深部位移量：圖3為巷道掘進(jìn)期間3號(hào)觀測(cè)站內(nèi)煤柱幫及實(shí)體煤幫深部位移量實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)曲線圖。可以發(fā)現(xiàn)，煤柱幫的變形量明顯大于實(shí)體煤幫，圍巖變形基本上在巷道掘進(jìn)40 d后趨于穩(wěn)定，變形穩(wěn)定后煤柱幫深基點(diǎn)的最大變形量為124 mm，實(shí)體煤幫深基點(diǎn)的最大變形量為50.1 mm。煤柱幫的變形主要集中在0～2 m和3～4 m范圍內(nèi)，雖然此范圍內(nèi)的變形量約為100 mm，但是煤柱的整體性良好，說(shuō)明巷道支護(hù)設(shè)計(jì)合理。

表2 巷道掘進(jìn)期間最大圍巖移近量

圖3 巷道掘進(jìn)期間圍巖深部位移量

3 結(jié)論

(1)王洼二礦所采煤層為特厚煤層，該礦110507工作面采用留窄煤柱沿空掘巷的工藝進(jìn)行巷道的掘進(jìn)，通過理論計(jì)算和FLAC3D軟件進(jìn)行數(shù)值模擬，最終確定該工作面沿空掘巷所留設(shè)保護(hù)煤柱為6 m。

(2)根據(jù)該礦地質(zhì)資料及材料，設(shè)計(jì)110507工作面回風(fēng)順槽支護(hù)方式為錨網(wǎng)索聯(lián)合支護(hù)并進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用。

(3)通過在回風(fēng)順槽中布置觀測(cè)站，監(jiān)測(cè)掘進(jìn)過程中巷道表面位移量及圍巖的深部位移數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)巷道掘進(jìn)過后40 d基本趨于穩(wěn)定，變形穩(wěn)定后煤柱幫深基點(diǎn)的最大變形量為124 mm，實(shí)體煤幫深基點(diǎn)的最大變形量為50.1 mm，巷道兩幫移近量均在200 mm左右，頂?shù)装逡平烤?00 mm左右。

(4)圍巖變形量及圍巖深部位移均控制在允許范圍內(nèi)，說(shuō)明巷道支護(hù)設(shè)計(jì)合理，能夠滿足順槽的正常掘進(jìn)作業(yè)和運(yùn)行。