李斌

摘要：沙曲二號煤礦近距離煤層煤柱下巷道布置受煤柱集中應(yīng)力影響大，煤柱集中應(yīng)力在底板中隨深度增加逐漸向煤柱兩側(cè)擴(kuò)散衰減，若巷道位于煤柱外應(yīng)力遞減區(qū)易使巷道受力、變形不均衡從而圍巖控制困難。本文通過煤柱影響應(yīng)力集中程度的研究，得出煤柱逐漸衰減點，以及不同煤柱寬度應(yīng)力遞減區(qū)范圍，為巷道布置提供技術(shù)參數(shù)，通過現(xiàn)場施工礦壓顯現(xiàn)不明顯，能夠滿足安全高效施工要求。

關(guān)鍵詞：近距離煤層;煤柱;巷道布置;支護(hù)研究

前言

近距離煤層群因煤層間距較小，近距離煤層開采過程中相互影響明顯，尤其是煤層群下行開采過程中，上煤遺留煤柱對下部巷道布置位置和圍巖控制產(chǎn)生較大影響。巷道位置所處應(yīng)力范圍分別為煤柱下高應(yīng)力區(qū)、煤柱邊界應(yīng)力遞減區(qū)和煤柱外低應(yīng)力區(qū)，煤柱下近距離煤層巷道布置巷道要盡量避開煤柱下高應(yīng)力區(qū)。巷道布置合理后，利用桁架錨索非對稱支護(hù)技術(shù)，實現(xiàn)圍巖的有效控制。

1 煤柱下集中應(yīng)力規(guī)律研究

1.1 數(shù)值模擬背景

數(shù)值模擬以沙曲二礦4#、5#煤層與煤柱采掘關(guān)系為工程背景，模擬研究4#煤層殘留煤柱產(chǎn)生的集中應(yīng)力在底板中傳遞規(guī)律。4#煤層與煤柱下5#煤層層間距5～6.5m。

1.2 煤柱集中應(yīng)力在底板中傳播衰減規(guī)律

經(jīng)數(shù)值模擬軟件計算得到，煤柱下高應(yīng)力區(qū)域?qū)挾入S遠(yuǎn)離煤柱逐漸減小，兩側(cè)區(qū)域相對增大，說明煤柱影響應(yīng)力集中程度逐漸減弱，應(yīng)力逐漸向兩側(cè)區(qū)域轉(zhuǎn)移。高應(yīng)力區(qū)范圍隨深度增加向煤柱中央方向縮短，應(yīng)力峰值現(xiàn)象隨深度增加逐漸不明顯;應(yīng)力遞減區(qū)和低應(yīng)力區(qū)分界位置分別標(biāo)記，分界位置隨深度增加依次向兩側(cè)移動，應(yīng)力遞減區(qū)寬度隨深度增加而增大。

1.3 煤柱集中應(yīng)力下的巷道位置選擇

近距離煤層煤柱下回采巷道布置，應(yīng)盡量避開高應(yīng)力區(qū)，將巷道布置在較低應(yīng)力區(qū)，巷道圍巖壓力小易控制，同時應(yīng)考慮避開垂直應(yīng)力遞減區(qū)域，以免巷道頂板受到較大剪應(yīng)力作用，因此垂直應(yīng)力及其變化率均較低位置為巷道較優(yōu)布置位置。

對于特定地質(zhì)力學(xué)條件下布置煤柱下巷道，能夠采用數(shù)值模擬方法分析應(yīng)力分布規(guī)律，確定應(yīng)力及其變化率均較低位置。根據(jù)垂直應(yīng)力值在水平方向的變化規(guī)律，不同深度底板中臨界位置距煤柱邊界水平距離不同，通過不同深度測線臨界位置數(shù)據(jù)得到臨界位置距煤柱邊界水平距離隨深度變化關(guān)系。根據(jù)巷道較優(yōu)布置位置選擇原則，臨界位置可以作為巷道內(nèi)錯煤柱的臨界水平位置。根據(jù)擬合函數(shù)和煤層間距能夠得到特定條件下應(yīng)力遞減區(qū)范圍及巷道較優(yōu)布置位置，具有普適性的應(yīng)力變化內(nèi)在規(guī)律。

2 煤柱集中應(yīng)力傳播衰減理論分析

不同深度底板中垂直應(yīng)力變化曲線，通過曲線斜率變化可以分析得出：

（1）在煤柱邊界附近各曲線上應(yīng)力值迅速下降，存在應(yīng)力變化率劇烈區(qū)且下降速度隨底板深度增加而減小，應(yīng)力遞減區(qū)范圍隨深度增加不斷擴(kuò)大，例如在距煤柱深2m底板中，垂直應(yīng)力在位置1（距煤柱邊界1.85m）應(yīng)力值就下降到1.0Mpa，而在距煤柱深12m底板巖層中，垂直應(yīng)力在位置2（距煤柱邊界11m）應(yīng)力值才下降到1.0MPa。

（2）各應(yīng)力曲線在煤柱邊界位置匯交于一點，應(yīng)力值為集中應(yīng)力的一半，定義該點為變遷點，該點左邊（煤柱下方）底板中垂直應(yīng)力值淺部大于深部應(yīng)力，該點右邊（煤柱外側(cè)）底板中垂直應(yīng)力值深部大于淺部。對比數(shù)值模擬中煤柱邊界有塑性區(qū)，其應(yīng)力曲線變遷點位置內(nèi)遷。

根據(jù)煤柱集中應(yīng)力對底板中巖層應(yīng)力分布影響規(guī)律，煤柱外側(cè)底板中集中應(yīng)力產(chǎn)生的垂直應(yīng)力和垂直應(yīng)力變化率雖不能為零，但都能夠迅速減小趨近于零，且深度方向上越靠近煤柱垂直應(yīng)力變化速率越快，因此能夠在煤柱邊界附近選擇應(yīng)力較小且應(yīng)力變化率較小的巷道位置。

3 煤柱影響巷道位置選擇效果分析

3.1 工程應(yīng)用實例分析

根據(jù)工程實際情況取4#煤層殘留煤柱埋深H為403m，煤柱寬度l為45m，煤柱兩側(cè)采空區(qū)長度D為216m，覆巖平均容重γ為25KN/m，煤柱兩側(cè)頂板破斷角取δ為45o，估算[9，14]煤柱載荷q為52MPa。煤柱距下部5#煤層布置工作面5302軌道巷，煤層間距取5.2m，應(yīng)力衰減系數(shù)取0.1，應(yīng)力變化率系數(shù)取1/52，即根據(jù)應(yīng)力衰減計算計算得到應(yīng)力值小于5.2MPa，且應(yīng)力水平方向變化率小于1MPa/m的應(yīng)力環(huán)境臨界位置，經(jīng)計算分析得，在距煤柱中心29m附近滿足條件，即距煤柱邊界6.5m，達(dá)到工程取值要求。

計算巷道較優(yōu)水平位置為6.36m，與理論計算公式相近。因此，5#煤層殘留煤柱下巷道合理布置位置在距煤柱邊界6.5m左右，考慮煤層間距變化及巷道一定塑性區(qū)范圍，確定4#煤層殘留煤柱下5#煤層5302軌道巷施工位置距煤柱邊界水平距離8m。根據(jù)現(xiàn)場巷道施工并監(jiān)測巷道礦壓顯現(xiàn)狀況，巷道掘進(jìn)500m，巷道采用錨網(wǎng)索支護(hù)，巷道頂板局部位置較破碎，整體變形量很小，說明巷道較好避開上煤柱集中應(yīng)力影響范圍，巷道圍巖控制效果良好。

3.2 工程應(yīng)用物理相似模擬分析

為直觀反映煤柱集中應(yīng)力在底板中傳播規(guī)律，根據(jù)工程實際建立物理相似模型并進(jìn)行加載破壞試驗，試驗過程中采用液壓油缸在模型頂部不斷加載直至煤柱下煤巖層破壞，隨著不斷加載，煤柱下煤巖層逐漸發(fā)生破壞，最終煤柱下高應(yīng)力區(qū)及應(yīng)力遞減區(qū)發(fā)生塑性破壞，破壞范圍在距煤柱邊界6.5m～7m，與理論分析結(jié)果一致，模擬巷道距煤柱邊界8m，未直接受到集中應(yīng)力影響，巷道圍巖穩(wěn)定。

4 支護(hù)方式

4.1 5302工作面概況

5302工作面為三采區(qū)第二個5#煤工作面，采區(qū)5#煤層首采面5301工作面在4#煤層4301工作面采空區(qū)下回采，目前已回采完畢，5301工作面軌道巷內(nèi)錯4301軌道巷煤柱12m。5302工作面主要在4302工作面下布置，4302工作面分上下兩部分回采，中間用30m煤柱隔開。4302工作面回采上部分煤層時，與3#煤層合采，工作面長度265m，推進(jìn)長度512m，工作面4302軌道巷沿空留巷;4302工作面回采下部分時，單獨開采4#煤層，工作面長度216m。

施工的5302工作面軌道巷與5301工作面軌道巷相鄰，兩巷煤柱寬度留設(shè)受到上部4301、4302工作面區(qū)段煤柱影響嚴(yán)重，巷道圍巖控制需要優(yōu)化。該巷道與5301工作面相鄰，兩巷煤柱寬度留設(shè)受到上部4301、4302工作面區(qū)段煤柱影響嚴(yán)重，巷道圍巖支護(hù)方案需要優(yōu)化。

4.2 5302工作面軌道巷桁架錨索非對稱支護(hù)機(jī)理

錨索桁架復(fù)向系統(tǒng)是能夠在巷道頂板的水平和鉛垂方向同時提供擠壓應(yīng)力的預(yù)應(yīng)力支護(hù)結(jié)構(gòu)，它克服了單體錨索支護(hù)不能提供水平張緊力的缺陷，使得錨固區(qū)內(nèi)的煤巖體處于多維擠壓狀態(tài)，作用特點有以下幾點：

（1）雙向施力：預(yù)應(yīng)力錨索桁架聯(lián)合控制系統(tǒng)能在水平和鉛垂方向同時提供主動支護(hù)力，且所受的拉應(yīng)力和提供的支護(hù)力隨頂板變形而增加。

（2）長軟抗剪：錨索桁架長度大、抗剪性能強(qiáng)，斜穿過煤幫上方附近頂板最大剪應(yīng)力區(qū)且作用范圍大，與角錨桿和頂板共同承擔(dān)剪應(yīng)力，能有效控制頂板剪切破壞;

（3）線性承載：預(yù)應(yīng)力錨索桁架控制系統(tǒng)鋼絞線與頂板成線接觸，鋼絞線上的載荷能連續(xù)傳遞且能方便地施加很高的預(yù)拉力，支護(hù)作用范圍大，松散破碎頂板受力狀態(tài)好;

（4）錨固點穩(wěn)：錨索桁架錨固點位于巷道兩肩窩深部不易破壞的三向受壓巖體，不易受頂板離層和變形的影響，為錨索桁架系統(tǒng)發(fā)揮高錨固力提供了可靠穩(wěn)固的承載基礎(chǔ)。

4.3 5302軌道巷錨索桁架支護(hù)設(shè)計

（1）5302軌道巷頂板支護(hù)方案

①錨桿規(guī)格參數(shù)：頂板采用Φ22×2400mm螺紋鋼錨桿（配套使用一塊100×100×16mm小墊片）錨桿間排距700×900mm，配套4m6眼w鋼帶。頂錨桿初錨力不小于30KN，錨固力不小于60KN;

②錨索桁架規(guī)格參數(shù)：單體錨索和槽鋼錨索規(guī)格均為Φ17.8×5300mm，單體錨索（配套使用一塊200×200×16mm方墊片）。 錨索預(yù)緊力不得低于110KN，錨固力不得低于230KN。

錨索桁架布置：間排距為1300mm×1800mm，鉆孔深度4800mm，煤柱幫側(cè)錨索距巷幫600mm?？拷鼉蓭偷腻^索鉆孔與頂板垂線的夾角為15°，中間的錨索垂直頂板布置。

鋼筋梯子梁規(guī)格：三根錨索用鋼筋梯子梁連接，長度3300mm×70mm（長×寬），采用整根φ16mm的鋼筋彎曲后，對距鋼筋梯子梁端頭0～150mm范圍內(nèi)的搭接處（搭接長度150mm）進(jìn)行高質(zhì)量焊接加工;在距鋼筋梯子梁左端頭670～680mm、1970～1980mm處用厚4mm、寬100mm的薄鋼板進(jìn)行包裹連接。槽鋼規(guī)格：巷道中部錨索和靠煤柱幫側(cè)錨索采用16號槽鋼連接，長2000mm。

（2）5302軌道巷兩幫支護(hù)方案

錨桿型號：Φ22×2400mm螺紋鋼錨桿（配套使用一塊150×150×10mm小墊片），幫錨桿扭距不得低于200N·M，錨固力不得低于50KN。錨桿間排距800×900mm，配套1.9m3眼w鋼帶。靠近頂板處錨桿向上傾斜15°，靠近底板處錨桿向下傾斜15°，其余垂直布置。護(hù)幫材料：長×寬為10×1.0m聚丙烯雙抗網(wǎng)支護(hù)。

（3） 5302軌道巷支護(hù)效果分析

圖3為5302軌道巷外段兩幫及頂板位移量，巷道支護(hù)后整體變形量較小，巷道煤柱幫比煤體幫鼓幫量大，巷道左幫鼓幫量最大值為0.088m，右?guī)凸膸土孔畲笾禐?.031m。巷道頂板位移量較小，頂板表面下沉量0.048m。

5 結(jié)論

（1）根據(jù)分析煤柱集中應(yīng)力在底板中傳播特征，在煤柱邊界位置不同深度底板中應(yīng)力變化率達(dá)到最大值，且隨著深度的增加應(yīng)力變化率逐漸減小，在煤柱寬度方向上應(yīng)力變化率值隨遠(yuǎn)離煤柱邊界逐漸向零趨近，滿足工程需求的巷道合理內(nèi)錯位置，為煤柱下巷道水平位置選擇提供了依據(jù)。

（2）根據(jù)現(xiàn)場工程實際，得出煤柱下近距離煤層巷道內(nèi)錯煤柱距離的最優(yōu)值，巷道布置工程效果較好，通過礦壓分析，驗證了巷道布置的合理性。

（3）采用錨索桁架非對稱支護(hù)技術(shù)，5302軌道巷圍巖應(yīng)力、兩幫及頂板變形位移量均在合理的范圍內(nèi)，控制效果良好，支護(hù)方案合理。

（4）5302軌道巷距煤柱邊界水平距離為8m，較相鄰的5301軌道巷減少4m，則5302工作面可多回采煤炭資源1.64萬噸，折算精煤1.066萬噸，按照沙曲精焦煤長協(xié)價1280元/噸計算，可創(chuàng)造經(jīng)濟(jì)效益1364.5萬元。

（5）采用該支護(hù)技術(shù)后，保障了近距離煤層開采過程中的圍巖支護(hù)質(zhì)量，且巷道無需進(jìn)行工字鋼棚二次補(bǔ)強(qiáng)維護(hù)，大大降低了工人勞動強(qiáng)度，可節(jié)約材料費(fèi)用約46.2萬元。

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