楊占國(guó)

（同煤集團(tuán) 四臺(tái)礦，山西 大同 037016）

同煤集團(tuán)四臺(tái)礦，由于侏羅系煤層“層數(shù)多、層厚薄、層間近”的特點(diǎn)，多年的內(nèi)錯(cuò)布置使煤柱寬度逐漸增大，已采完的12號(hào)煤層煤柱寬度已達(dá)18 m；若仍用內(nèi)錯(cuò)布置14號(hào)煤層的開采，則其煤柱寬度會(huì)更大、煤炭資源浪費(fèi)更大。本文根據(jù)四臺(tái)礦14號(hào)煤層311盤區(qū)81105面與12號(hào)煤層（已采空）81105面的環(huán)境，分析計(jì)算采動(dòng)中12號(hào)煤層51105巷底板（14號(hào)煤層51105巷頂板）的破壞和應(yīng)力狀態(tài)，驗(yàn)證了14號(hào)層81105面零內(nèi)錯(cuò)布置的可行性；并為確保多次采動(dòng)影響下14號(hào)煤層51105巷頂板的穩(wěn)定性，基于理論計(jì)算提出了“鋼帶錨桿”的支護(hù)工藝；工程實(shí)踐效果良好，取得了較大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

1 工程概況

14號(hào)煤層311盤區(qū)81105面51105巷作為運(yùn)料、回風(fēng)巷，巷道為矩形（寬3.8 m、高2.7 m），設(shè)計(jì)長(zhǎng)度889 m，東起14號(hào)煤層311盤區(qū)巷，西鄰14號(hào)煤層段家小村東梁礦同層采空區(qū)，南部為14號(hào)煤層81103面正在回采中，北部為21105巷已掘。

巷道沿14-2號(hào)煤層頂板布置，煤層?xùn)|北高、西南低，整體呈一單斜構(gòu)造，煤層厚度2.60～2.80 m、平均 2.70 m；傾角 1.2°～7.6°，平均 4.4°。

14號(hào)煤層51105巷頂板（12號(hào)煤層51105巷底板）與上覆12-1號(hào)煤層間距11.4～13.9 m、平均12.6 m，巖性為粉細(xì)砂頁(yè)巖互層，細(xì)砂巖為主，深灰色至黑色，性脆，中部含煤屑黃鐵礦結(jié)核，局部夾煤線，整體性較好，普式系數(shù)5.3～6.8；底板也多為粉細(xì)砂巖互層，灰色至灰白色，具水平層理，上部多細(xì)砂巖，下部粉砂巖夾煤屑及黃鐵礦結(jié)核，局部夾有煤線。

2 零內(nèi)錯(cuò)布置的可行性分析

采煤過程中，超前支承壓力[1-3]在引起頂板變形和移動(dòng)的同時(shí)，也會(huì)導(dǎo)致底板破壞。根據(jù)極限平衡理論，其12號(hào)煤底板（14號(hào)煤層頂板上部）的破壞范圍可分為：I主動(dòng)極限區(qū)、II過渡區(qū)、III被動(dòng)極限區(qū)，見圖1。在巨大超前支承壓力的影響下，主動(dòng)極限區(qū)內(nèi)巖體發(fā)生塑性破壞，膨脹擠壓過渡區(qū)巖體，部分巖體發(fā)生破壞，進(jìn)而推動(dòng)被動(dòng)極限區(qū)巖體向上發(fā)生變形，巷道中顯現(xiàn)出底臌現(xiàn)象。

圖1 底板屈服破壞范圍

根據(jù)極限平衡理論[4-5]，底板屈服破壞最大深度 hmax為：

式中：φf為底板巖層的內(nèi)摩擦角，取34°；x0為根據(jù)極限平衡理論計(jì)算煤壁的塑性區(qū)寬度。

式中：m為煤層厚度，取12號(hào)煤層厚度平均值，2.86 m；φ為12號(hào)煤層煤體內(nèi)摩擦角，根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果取28°；C為12號(hào)煤層煤體內(nèi)聚力，取1.3 MPa；K為應(yīng)力集中系數(shù)，取3.0；γ為巖層平均重度，取25 kN/m3；H為12號(hào)煤層埋藏深度，取350 m；P1為支護(hù)結(jié)構(gòu)對(duì)煤幫的支護(hù)阻力，取1 MPa；根據(jù)計(jì)算可知，x0=1.5 m，hmax=2.74，底板巖體最大破壞深度距巷幫的水平距離

以12號(hào)煤層、14號(hào)煤層最近處計(jì)算，14號(hào)煤層頂板下部穩(wěn)定區(qū)域厚度，占到總厚度的76%，可見12號(hào)煤層開采對(duì)14號(hào)煤層頂板的整體性影響程度較有限，后者的整體性表現(xiàn)良好。再者，底板巖體最大破壞深度距巷幫的水平距離1.85 m，根據(jù)應(yīng)力分布特點(diǎn)，巖體的破壞必然引起應(yīng)力向以外巖體傳遞，將14號(hào)煤層51105巷布置在其頂板上部、有限破壞段的下方，對(duì)頂板的穩(wěn)定性控制有較強(qiáng)優(yōu)勢(shì)。14號(hào)煤層51105巷道設(shè)計(jì)寬度3.8 m，約為的2.05倍；因此14號(hào)煤層81105面采用零內(nèi)錯(cuò)布置是合理可行的，見圖2。

圖2 14號(hào)煤層81105面平面布置圖

3 鋼帶錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)

由于14號(hào)煤層51105巷頂板巖層分布均勻完整，頂板破壞時(shí)可簡(jiǎn)化為簡(jiǎn)支梁計(jì)算[7-9]，見圖3，頂板下表面受拉應(yīng)力最大值σtmax為：

式中：b 為巷道的寬度，3.8 m；q=γh=8.75 MPa其余參數(shù)同上。

圖3 頂板力學(xué)計(jì)算示意圖

根據(jù)計(jì)算，由于超前支承壓力的作用，巷道頂板表面最大拉應(yīng)力，遠(yuǎn)大于巖體的抗拉強(qiáng)度，因此需要支護(hù)手段，金屬網(wǎng)是解決這一問題常用的支護(hù)材料，然而由于金屬網(wǎng)變形量較大，當(dāng)頂板發(fā)生較大變形后才能起到支護(hù)作用，此時(shí)頂板巖體多因過大變形而產(chǎn)生大量的拉裂縫，巖體裂隙發(fā)育，整體性下降。為了迅速提高頂板表面的抗拉強(qiáng)度，可在14號(hào)煤層51105巷頂板的穩(wěn)定性控制中引入鋼帶錨桿，在鋼帶上鉆取相應(yīng)的錨桿鉆孔，通過錨桿及其托盤，將鋼帶緊密地與頂板密貼在一起，頂板稍有變形，鋼帶則迅速受力，分擔(dān)頂板表面的大部分拉應(yīng)力；相反，錨桿通過鋼帶連接成一個(gè)整體，使彼此錨桿軸力分布更加均勻。

結(jié)合四臺(tái)礦多年工程經(jīng)驗(yàn)，14號(hào)煤層51105巷支護(hù)方案，見圖4。取鋼帶的抗拉強(qiáng)度235 MPa，則鋼帶為頂板表面提供的拉應(yīng)力：235×220/1000=51.7 MPa＞σtmax，進(jìn)一步驗(yàn)證了巷道支護(hù)的可靠性。

圖4 14號(hào)煤層51105巷支護(hù)橫斷面圖

4 工程實(shí)踐結(jié)論

1）工程實(shí)踐：自2013年10月18日開工以來，累計(jì)完成了14號(hào)煤層51105巷300 m多的掘進(jìn)量，掘進(jìn)中巷道頂板沒有發(fā)現(xiàn)明顯變形，最大下沉量?jī)H18.3 mm。

2）工程結(jié)論：①根據(jù)極限平衡理論，算得12號(hào)煤層開采對(duì)底板的最大破壞深度2.74 m，距巷幫水平距離1.85 m，使14號(hào)煤層51105巷頂板保留了足夠巖層，且釋放頂板上部分應(yīng)力，保障了14號(hào)煤層81105面的零內(nèi)錯(cuò)布置的成功實(shí)施。②通過鋼帶錨桿的支護(hù)作用，14號(hào)層51105巷頂板表面最大拉應(yīng)力承載能力達(dá)到51.7MPa，遠(yuǎn)大于超前支承壓力時(shí)的拉應(yīng)力承受值，進(jìn)一步驗(yàn)證了巷道支護(hù)的可靠性。③工程實(shí)踐表明，掘進(jìn)中巷道頂板沒有發(fā)現(xiàn)明顯變形，最大下沉量?jī)H18.3 mm。再者，由于采用零內(nèi)錯(cuò)布置，按回采800 m，煤體密度1 500 kg/m3，按內(nèi)錯(cuò)距離6 m（每條順槽各內(nèi)錯(cuò)3 m）計(jì)算，僅81105工作面就可多采原煤20 592 t，取得了較大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

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