霍林鵬

(霍州煤電集團(tuán)呂梁山煤電有限公司 木瓜煤礦，山西 方山 033100)

1 工程概況

呂梁山煤電有限公司木瓜煤礦位于山西省呂梁市木瓜村以北，目前正在進(jìn)行10號煤層的采掘工作，10號煤層為復(fù)雜結(jié)構(gòu)煤層，煤層傾角4～8°，平均6°，煤層厚2.3～3.4 m，平均厚2.95 m。10號煤層的10-100工作面目前處于準(zhǔn)備階段，蓋山厚度227～424 m。地面標(biāo)高1 225～1 335 m，工作面標(biāo)高927～988 m。工作面位于一采區(qū)準(zhǔn)備巷道左翼，上部為9-104、9-106采空區(qū)；工作面以東為實(shí)體煤(10-101工作面)；以南為南區(qū)實(shí)體煤，緊鄰一采區(qū)邊界；以西為正在進(jìn)行回采的10-102工作面；以北為一采區(qū)三條大巷。通風(fēng)方式為U型通風(fēng)。工作面布置如圖1所示。巷道沿10號煤層頂板掘進(jìn)，掘進(jìn)區(qū)域與上部9號煤層間距為1～8 m，平均4.5 m，采掘區(qū)域南部切巷附近層間距較薄，約1～2 m；向北部巷口方向?qū)娱g距逐漸增加到7～8 m。木瓜煤礦工作面開采原設(shè)計(jì)區(qū)段煤柱為20 m，由于目前沿空掘巷技術(shù)的成熟，設(shè)計(jì)10號煤層改為留小煤柱沿空掘巷進(jìn)行開采。但因?yàn)?0號煤層與9號煤層層間距較小，10-100工作面頂板在9-104、9-106工作采動影響下破碎嚴(yán)重，因此需對沿空掘巷開采方式的可行性進(jìn)行分析，并設(shè)計(jì)合理的護(hù)巷煤柱和巷道支護(hù)形式。

圖1 10-100工作面采掘工程平面

2 煤柱合理寬度研究

2.1 煤柱合理寬度的理論分析

通過以往對窄煤柱沿空掘巷頂板壓力狀況的分析和總結(jié)，在確保巷道圍巖變形量不會太大的前提下，提出應(yīng)用以下公式進(jìn)行煤柱寬度的計(jì)算[1]：

Z=Z1+Z2+Z3

(1)

式中：Z為煤柱寬度，m；Z1為臨近工作面采空區(qū)側(cè)煤巖體塑性區(qū)的寬度，m；Z2為煤柱穩(wěn)定系數(shù)，按照經(jīng)驗(yàn)取(0.20～0.4)(Z1+Z3)；Z3為錨桿有效長度，取1.8 m。

其中Z1通過下式計(jì)算得出：

(2)

式中：m為煤層平均厚度，取2.95 m；C0為煤層的粘聚力，取2.79 MPa；φ0為內(nèi)摩擦角，取28°；K為應(yīng)力集中系數(shù)，其取2.0；A為側(cè)壓系數(shù)，根據(jù)泊松比計(jì)算為0.64；γ為上覆巖層體積力，取0.025 mN/m3；H為工作面平均埋深，取378 m。

根據(jù)式(2)及10-100工作具體的參數(shù)，計(jì)算可知Z1=3.68 m，Z2=1.09～2.19 m，Z3=1.8 m，從而計(jì)算得出10-100運(yùn)輸沿空掘巷小煤柱的合理寬度為7.67 m。

2.2 沿空巷道受力數(shù)值模擬與煤柱尺寸優(yōu)化

為合理確定10-100運(yùn)輸巷沿空掘巷煤柱的寬度，以木瓜煤礦10-100工作面為工程背景，利用FLAC3D軟件進(jìn)行數(shù)值模擬[2-3]，研究不同寬度煤柱條件下，巷道圍巖的受力情況，據(jù)此設(shè)計(jì)合理的煤柱寬度。建立數(shù)值模型尺寸為：長×寬×高=200 m×100 m×110 m，10-100工作面平均埋深為378 m，10-100運(yùn)輸巷斷面尺寸為：寬×高=4 m×3 m，模型邊界條件：水平方向均為固定邊界條件，豎直方向在下部為固定邊界，上部為自由邊界，施加垂直應(yīng)力，上覆巖層簡化為7.5 MPa的均布載荷。模擬方案：預(yù)留煤柱寬度分別為4 m、6 m、8 m、10 m，在不同煤柱寬度條件下模擬工作面的開采，觀察巷道水平方向20 m范圍、豎直方向9 m范圍內(nèi)圍巖的位移情況。模擬結(jié)果如圖2、圖3所示。

圖2 不同煤柱寬度最大主應(yīng)力分布云圖

由圖2可以看出，當(dāng)煤柱寬度為4 m時(shí)，煤柱內(nèi)最大主應(yīng)力為7.3 MPa，應(yīng)力集中的范圍較??；隨著煤柱寬度的增加，煤柱內(nèi)最大主應(yīng)力逐漸增大，煤柱寬度增加到8 m時(shí)，煤柱內(nèi)最大主應(yīng)力增加至21.5 MPa，略小于原巖應(yīng)力(25 MPa)；當(dāng)煤柱寬度增加至10 m時(shí)，煤柱內(nèi)最大主應(yīng)力達(dá)到30.7 MPa，且應(yīng)力集中的范圍較大；為使煤柱避開側(cè)向支承壓力的峰值區(qū)，煤柱寬度在7～9 m之間較為合理。

由圖3可知，隨著煤柱寬度的增大，沿空巷道頂板及煤柱上覆巖層的垂直位移逐漸減小，煤柱寬度由4 m變?yōu)? m時(shí)，頂板垂直位移由1 178 mm減小為842 mm，減小值為336 mm；煤柱寬度由6 m增加至8 m時(shí)，頂板垂直位移由842 mm減小為639 mm，減小值為203 mm；煤柱寬度由8 m增加至10 m時(shí)，頂板垂直位移由639 mm減小為537 mm，減小值為102 mm；由此可知，適當(dāng)增加煤柱的寬度，能夠提高巷道頂板和煤柱的穩(wěn)定性，但是增長的趨勢越來越小，從經(jīng)濟(jì)方面考慮，10-100運(yùn)輸巷煤柱寬度設(shè)計(jì)為8m比較合理。

3 沿空巷道支護(hù)效果模擬分析

10-100運(yùn)輸巷斷面為矩形，目前常見的支護(hù)方式有錨網(wǎng)噴、錨桿+注漿支護(hù)和錨網(wǎng)梁聯(lián)合支護(hù)等[4]，不同的支護(hù)方式適合不同的圍巖條件。10-100運(yùn)輸巷在10-100工作面回采后就能夠垮落，采用FLAC3D數(shù)值模擬軟件，模擬錨網(wǎng)梁、錨網(wǎng)噴、錨注支護(hù)不同支護(hù)條件下進(jìn)行工作面的回采，觀察巷道圍巖的受力狀況。錨網(wǎng)梁支護(hù)：錨桿采用D20 mm×2 500 mm的左旋螺紋鋼錨桿，頂板每排布置7根，間排距為600 mm×900 mm，兩幫每排布置5根錨桿，間排距為650 mm×900 mm，金屬網(wǎng)尺寸(長×寬)：2 000 mm×1 000 mm，網(wǎng)格的大小為40 mm，配合由直徑為16 mm圓鋼焊制的鋼筋梯子梁進(jìn)行支護(hù)。錨網(wǎng)噴支護(hù)：在錨網(wǎng)梁支護(hù)條件下在巷道表面進(jìn)行噴漿，采用水泥漿液，噴漿厚度為25 mm；錨注支護(hù)：巷道頂板錨桿其中3根改為注漿錨桿，與普通錨桿交替布置，向頂板注適量的水泥漿。由于篇幅所限，三種支護(hù)條件下巷道圍巖垂直應(yīng)力、水平應(yīng)力及剪切應(yīng)力的詳細(xì)模擬結(jié)果未列出，只統(tǒng)計(jì)模擬結(jié)果中各應(yīng)力的最大值，整理后得到如圖4所示結(jié)果。

由圖4可以看出，支護(hù)方式由錨網(wǎng)梁-錨網(wǎng)噴-錨注支護(hù)進(jìn)行過渡時(shí)，巷道圍巖的垂直應(yīng)力、水平應(yīng)力及剪切應(yīng)力呈現(xiàn)逐漸減小的趨勢，說明對巷道頂板注漿能夠改善圍巖的應(yīng)力狀態(tài)，減小巷道圍巖的位移變形。10-100工作面上方為9號煤層的采空區(qū)，10-100運(yùn)輸巷在上煤層工作面采動破壞下，圍巖松散破碎，巷道圍巖注漿能夠提高圍巖的力學(xué)性能，配合錨桿和金屬網(wǎng)支護(hù)能夠很好地控制圍巖變形。因此在10-100運(yùn)輸巷采用注漿支護(hù)較合理。

4 沿空掘巷支護(hù)技術(shù)應(yīng)用

4.1 現(xiàn)場應(yīng)用

根據(jù)以上研究結(jié)果，設(shè)計(jì)10-100運(yùn)輸巷與10-102工作面之間留設(shè)煤柱寬度為8 m，采用“錨桿(索)+W型鋼帶+注漿”支護(hù)方式。頂板和兩幫錨桿為D20 mm×2 500 mm的左旋螺紋鋼錨桿，錨固劑采用一支CKB2340和一支Z2360樹脂錨固劑，頂板錨桿間排距為600 mm×900 mm，頂板靠近巷幫的兩排錨桿向巷道外側(cè)傾斜，與豎直方向夾角為30°。兩幫錨桿間排距為650 mm×900 mm，靠近頂角和底角的錨桿分別向上和向下傾斜30°。距頂板中心線800 mm對稱安裝兩個(gè)錨索，錨索為D21.6 mm×6 300 mm的鋼絞線，間排距為1 600 mm×1 800 mm，用CKB2340、Z2360錨固劑各兩支，安裝時(shí)施加不小于180 kN的預(yù)應(yīng)力。在頂板每隔兩排錨桿設(shè)置一組注漿錨桿，注漿錨桿和頂錨索交替布置，注漿錨桿間排距為1 600 mm×1 800 mm。在煤柱側(cè)每間隔兩排錨桿安裝一根注漿錨桿，錨桿距離頂板1 000 mm，注漿采用高水速凝材料，水灰比為3∶2。10-100運(yùn)輸巷支護(hù)方案如圖5所示。

圖5 10-100運(yùn)輸巷支護(hù)方案(mm)

4.2 效果監(jiān)測

為考察木瓜煤礦10-100運(yùn)輸巷錨注支護(hù)的效果，在巷道掘進(jìn)及工作面回采期間對巷道圍巖變形情況進(jìn)行了監(jiān)測，監(jiān)測結(jié)果整理后如圖6所示。由圖6可知，巷道掘進(jìn)時(shí)，圍巖變形集中在成巷70 d內(nèi)，頂?shù)装逡平糠€(wěn)定在300 mm，實(shí)體煤側(cè)最大變形量為273 mm，煤柱側(cè)最大變形量為249 mm。在10-100工作面回采期間，超前支撐壓力影響范圍約為80 m，巷道頂?shù)装遄畲笠平繛?76 mm，實(shí)體煤側(cè)最大位移量為292 mm，煤柱側(cè)最大位移量為308 mm。綜上可得，10-100運(yùn)輸巷圍巖整體的變形量較小，能夠滿足煤炭運(yùn)輸?shù)囊蟆?/p>

5 結(jié) 語

根據(jù)木瓜煤礦10-100工作面具體的地質(zhì)條件，通過理論計(jì)算及數(shù)值模擬分析，確定10-100工作面沿空掘巷采用留小煤柱寬度為8 m較合理，并提出采用“錨桿(索)+W型鋼帶+注漿”支護(hù)方式，現(xiàn)場應(yīng)用后進(jìn)行圍巖位移量觀測，10-100運(yùn)輸巷掘進(jìn)期間，頂?shù)装逡平孔畲笾禐?00 mm，實(shí)體煤側(cè)最大變形量為273 mm，煤柱側(cè)最大變形量為249 mm；10-100工作回采期間，超前支承壓力影響范圍約為80 m，巷道頂?shù)装遄畲笠平繛?76 mm，實(shí)體煤側(cè)最大位移量為292 mm，煤柱側(cè)最大位移量為308 mm。通過注漿加固有效改善了煤柱的力學(xué)特征，取得了良好的支護(hù)效果。

圖6 10-100運(yùn)輸巷圍巖變形規(guī)律