苗偉杰

（霍州煤電集團(tuán)呂梁山煤電有限公司方山木瓜煤礦，山西 方山 33100）

0 引言

沿空掘巷是指沿鄰近采空區(qū)留設(shè)一定寬度的煤柱掘進(jìn)下工作面回采巷道，根據(jù)煤柱寬度可分為寬煤柱沿空掘巷、窄煤柱沿空掘巷、無煤柱沿空掘巷[1-3]。長期以來，受采掘理念與支護(hù)技術(shù)的制約，國內(nèi)大多礦井常采用寬煤柱沿空掘巷，而且采用的煤柱寬度剛好將巷道布置在鄰近工作面采空區(qū)支承壓力范圍內(nèi)，不僅將巷道布置于高應(yīng)力環(huán)境，還造成了煤炭資源的極大浪費(fèi)[4-5]。針對該問題，很多專家學(xué)者進(jìn)行了相關(guān)研究，提出窄煤柱沿空掘巷技術(shù)。窄煤柱沿空掘巷是指將巷道布置在采空區(qū)側(cè)的卸壓范圍內(nèi)，改善巷道圍巖應(yīng)力環(huán)境，同時提高煤炭回收率[6-7]。無煤柱沿空掘巷是指在采空區(qū)側(cè)不留煤柱或直接在采空區(qū)內(nèi)掘進(jìn)回采巷道[8-9]，相對而言，無煤柱沿空掘巷具有煤炭回收率顯著提高、掘進(jìn)巷道探水等環(huán)節(jié)相對減少、巷道圍巖應(yīng)力環(huán)境明顯改善等優(yōu)點(diǎn)，加上隨著采掘和支護(hù)技術(shù)的不斷進(jìn)步，無煤柱沿空掘巷技術(shù)將逐漸得到推廣應(yīng)用。

自上世紀(jì)20年代以來，大量專家學(xué)者研究了采空區(qū)覆巖頂板斷裂形態(tài)和活動規(guī)律，形成了眾多研究成果，比如懸臂梁假說、預(yù)成裂隙假說、鉸接巖塊假說、砌體梁假說、關(guān)鍵層理論、傳遞巖梁理論等等[10-12]，這些假說、理論為無煤柱沿空掘巷技術(shù)的發(fā)展提供了堅實(shí)基礎(chǔ)。本文通過調(diào)研試驗工作面采掘地質(zhì)條件，采用FLAC3D有限差分軟件評估工作面應(yīng)力環(huán)境，開發(fā)錨網(wǎng)梁索主動聯(lián)合支護(hù)技術(shù)，現(xiàn)場試驗驗證了無煤柱沿空掘巷的適用性以及支護(hù)技術(shù)的合理性和可靠性。

1 工程背景

木瓜礦10-102工作面煤層產(chǎn)狀整體為一單斜，煤巖層走向NE，傾向NW，傾角4°~8°，平均6°；煤層平均厚度2.95 m，煤層結(jié)構(gòu)簡單，直接頂為泥巖，厚度在0.3~1.8 m之間，平均1.1 m，巖層呈黑色、致密、塊狀、平坦?fàn)顢嗫?；基本頂為砂質(zhì)泥巖，厚度在0.5~2.2 m之間，平均1.4 m，巖層呈灰黑色，致密較硬，棱角狀斷口；直接低為泥巖，平均厚度0.8 m，巖層呈黑色、致密、塊狀、平坦?fàn)顢嗫冢换镜诪槟鄮r，平均厚度2.84 m；巖層呈灰白色，質(zhì)軟，參差狀斷口。

10-102工作面位于一采區(qū)準(zhǔn)備巷道左翼，該工作面以東為實(shí)體煤，以南為南區(qū)實(shí)體煤，緊鄰一采區(qū)邊界，以西緊鄰10-106采空區(qū)，由于其頂板巖性較軟弱，采空區(qū)冒落充分，巖塊相互鉸接較好，為無煤柱沿空掘巷提供一個較好的圍巖環(huán)境。同時現(xiàn)場調(diào)研發(fā)現(xiàn)，該工作面上方垂直距離7~8 m左右為9號煤層（煤層厚度約3.2m）采空區(qū)，因此，該工作面受上覆工作面和鄰近工作面殘余采動應(yīng)力疊加影響，煤層圍巖應(yīng)力環(huán)境較為復(fù)雜，因此，在確定沿空掘巷煤柱寬度之前，應(yīng)先對工作面圍巖應(yīng)力環(huán)境進(jìn)行評估。

圖1 工作面采空區(qū)相對位置圖

2 工作面應(yīng)力環(huán)境評估

為評估工作面圍巖應(yīng)力環(huán)境，采用FLAC3D有限差分軟件，建立工作面重復(fù)開采數(shù)值計算模型，模型尺寸長×寬×高為210 m×30 m×120 m，其中上覆工作面和鄰近工作面開采范圍寬度均為90 m，模型四周及底部采用固定位移邊界，模型上邊界施加均勻載荷模擬巖層所受重力邊界（取8.4 MPa），側(cè)壓系數(shù)取0.8，巖層采用摩爾庫倫本構(gòu)模型，采空區(qū)采用雙屈服本構(gòu)模型。

圖2 給出了上覆工作面單一采動影響下，該工作面煤體垂直應(yīng)力和水平應(yīng)力分布圖（應(yīng)力值提取路徑為煤層中線），由圖可以看出，工作面煤體垂直應(yīng)力峰值點(diǎn)約位于距上覆采空區(qū)邊緣-9～-8 m范圍內(nèi)，應(yīng)力值為27.0 MPa，應(yīng)力集中系數(shù)約3.0，距上覆采空區(qū)邊緣-30～-7m范圍內(nèi)煤體均處于應(yīng)力增高區(qū)，煤層應(yīng)力大于原巖應(yīng)力，距上覆采空區(qū)邊緣-7～10 m煤體位于卸壓范圍，煤層應(yīng)力小于原巖應(yīng)力。

圖2 上覆工作面單一采動影響下工作面煤體應(yīng)力分布

圖3 給出了重復(fù)采動影響下，該工作面煤體垂直應(yīng)力和水平應(yīng)力分布圖（應(yīng)力值提取路徑為煤層中線），由圖可以看出，工作面煤體垂直應(yīng)力峰值點(diǎn)約位于距鄰近采空區(qū)邊緣5～6 m范圍內(nèi)，應(yīng)力值為45.0 MPa，應(yīng)力集中系數(shù)約5.0，距鄰近采空區(qū)邊緣4～30 m范圍內(nèi)煤體均處于應(yīng)力增高區(qū)，煤層應(yīng)力大于原巖應(yīng)力，距鄰近采空區(qū)邊緣-10～4 m煤體位于卸壓范圍，煤層應(yīng)力小于原巖應(yīng)力。

圖3 重復(fù)采動影響下工作面煤體應(yīng)力分布

綜上所述，試驗工作面受上覆工作面和鄰近工作面采動疊加影響，煤層應(yīng)力環(huán)境復(fù)雜，若將巷道布置在距采空區(qū)邊緣4～30 m范圍內(nèi)，巷道圍巖垂直應(yīng)力和水平應(yīng)力均較大，易導(dǎo)致巷道圍巖大變形，若采用寬煤柱沿空掘巷，要想避免高應(yīng)力環(huán)境影響，只能留設(shè)30 m，甚至40 m寬的煤柱，造成極大的煤炭資源浪費(fèi)，而若采用無煤柱沿空掘巷，不僅避免巷道布置在高應(yīng)力環(huán)境下，而且煤炭回收率顯著增加，同時，基于上覆采空區(qū)和鄰近采空區(qū)覆巖活動以趨于穩(wěn)定，為無煤柱沿空掘巷提供了基礎(chǔ)環(huán)境。

3 圍巖穩(wěn)定控制技術(shù)

試驗巷道采用無煤柱沿空掘巷，沿底掘進(jìn)，由于巷道一側(cè)為采空區(qū)矸石，為松散巖層，而巷道直接頂巖層為泥巖，受工作面重復(fù)采動影響，實(shí)煤體幫和頂板巖層穩(wěn)定性較差，結(jié)合礦井支護(hù)技術(shù)，確定巷道采用“錨網(wǎng)梁”+“錨索”聯(lián)合支護(hù)，形成錨網(wǎng)梁索主動聯(lián)合支護(hù)技術(shù)。

由于巷道所處應(yīng)力環(huán)境較低，且巷道為回采巷道，為提高巷道斷面利用效率，確定巷道掘進(jìn)斷面為矩形巷道，斷面尺寸寬×高為4.8 m×3.1 m，巷道掘進(jìn)時，采用DN28-250/90內(nèi)注式單體液壓支柱配合板梁進(jìn)行臨時支護(hù)，永久支護(hù)參數(shù)如下：

1）頂錨桿采用規(guī)格為Φ20L2000 mm的左旋螺紋鋼錨桿，間排距880 mm×1 100 mm，每根錨桿配套使用1支CKb2340、1支Z2360樹脂錨固劑，配套使用規(guī)格為130 mm×8 mm×22.5 mm的沖擊碟形墊片，扭力矩不小于280 N·m。

2）幫錨桿采用規(guī)格為Φ16L1500 mm的圓鋼小花錨桿，間排距880mm×1 100 mm，每根錨桿配套使用1支CKb2340樹脂錨固劑，配套使用規(guī)格為130 mm×8 mm×16.5 mm的墊片，扭力矩不小于100 N·m。

3）頂錨索采用規(guī)格為Φ18.9L6200 mm的鋼絞線，間排距2 000 mm×3 300 mm，每根錨索配套使用2支CKb2340、2支Z2360樹脂錨固劑，配套使用規(guī)格為300 mm×300 mm×16 mm的鋼板托盤，預(yù)緊力不小于180 kN。

4）頂錨桿和幫錨桿均使用Φ12 mm的鋼筋焊接成雙筋梯子梁連接。

5）金屬網(wǎng)采用12號鐵絲編制的菱形網(wǎng)，頂網(wǎng)規(guī)格為4.8 m×1.2 m，幫網(wǎng)規(guī)格為2.6 m×1.2 m，頂網(wǎng)橫鋪，幫網(wǎng)豎鋪。

4 圍巖控制效果分析

采用提出的錨網(wǎng)梁索主動聯(lián)合支護(hù)技術(shù)進(jìn)行現(xiàn)場工業(yè)性試驗，現(xiàn)場調(diào)研發(fā)現(xiàn)掘巷期間巷道變形量相對較小，巷道圍巖得到了有效控制，同時，在工作面回采期間，采用十字測試法監(jiān)測完全沿空掘巷受工作面超前采動影響時期的圍巖變形情況，測試儀器選用數(shù)顯收斂儀，測點(diǎn)布置和儀器見圖4所示。

圖4 測點(diǎn)布置圖

圖5 給出了3個測站巷道圍巖平均變曲線，由圖可知，在距工作面215 m處，巷道受采動影響出現(xiàn)變形，巷道頂?shù)装遄冃未笥趦蓭妥冃危喙ぷ髅?5～115 m范圍內(nèi)，巷道兩幫變形大于頂?shù)装遄冃危喙ぷ髅?5 m時，巷道頂?shù)装遄冃螢?62.63 mm，兩幫變形為172.20 mm，在距工作面0～55 m范圍內(nèi)，巷道處于超前支護(hù)范圍內(nèi)，現(xiàn)場觀測發(fā)現(xiàn)，巷道變形均處于可控范圍內(nèi)。如上所述，工作面超前影響范圍為215 m，相對來說，工作面超前影響范圍較大，這是由于試驗巷道經(jīng)重復(fù)采動，圍巖處于破碎狀態(tài)，易受采動影響，同時，在本工作面采動時，原以穩(wěn)定的采空區(qū)出現(xiàn)應(yīng)力重復(fù)調(diào)整，共同影響試驗巷道變形，雖然超前采動范圍有所增加，但是其變形總量較小，且處于可控范圍內(nèi)。工作面回采期間巷道并未出現(xiàn)大變形現(xiàn)象，表明了無煤柱沿空掘巷的適用性以及支護(hù)技術(shù)的合理性和可靠性。

圖5 3個測站巷道圍巖變形平均測試結(jié)果

5 結(jié)論

無煤柱沿空掘巷具有煤炭回收率顯著提高、掘進(jìn)巷道探水等環(huán)節(jié)相對減少、巷道圍巖應(yīng)力環(huán)境明顯改善等優(yōu)點(diǎn)，本文以試驗工作面復(fù)雜應(yīng)力環(huán)境為工程背景，采用現(xiàn)場調(diào)研、數(shù)值模擬、工業(yè)性試驗的方法，研究近距離采空區(qū)下無煤柱沿空掘巷圍巖穩(wěn)定控制技術(shù)，取得了如下結(jié)論：

1）調(diào)研發(fā)現(xiàn)現(xiàn)場具備無煤柱沿空掘巷條件，采用FLAC3D有限差分軟件評估了試驗工作面應(yīng)力環(huán)境，從應(yīng)力環(huán)境、煤炭回收率等方面論證了無煤柱沿空掘巷的優(yōu)越性，基于此開發(fā)了錨網(wǎng)梁索主動聯(lián)合支護(hù)技術(shù)。

2）采用提出的錨網(wǎng)梁索主動聯(lián)合支護(hù)技術(shù)進(jìn)行現(xiàn)場工業(yè)性試驗，試驗表明，由于試驗巷道經(jīng)重復(fù)采動，圍巖破碎易受采動影響，同時原以穩(wěn)定的采空區(qū)受本工作面采動影響出現(xiàn)應(yīng)力重復(fù)調(diào)整，導(dǎo)致工作面超前影響范圍較大，但是其變形總量較小，且處于可控范圍內(nèi)，同時，工作面回采期間并出現(xiàn)大變形現(xiàn)象，驗證了無煤柱沿空掘巷的適用性以及支護(hù)技術(shù)的合理性和可靠性。