蘇 鵬

（晉能控股集團(tuán)同發(fā)東周窯煤業(yè)有限公司，山西 大同 037100）

1 工程概況

同發(fā)東周窯煤業(yè)有限公司位于山西省大同市左云縣城東，開采深度1 544.9～700 m 標(biāo)高，可采山4#、C5#、8-1#、8-2#煤層，目前采用綜采放頂煤采煤法主采山4#層、C5#層煤層，煤層均厚5.53 m。

以往C5#層工作面間留設(shè)的區(qū)段煤柱寬30 m，上個(gè)工作面開采期間圍巖變形量達(dá)到560 mm。

2 巷道圍巖變形機(jī)理

2.1 現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)分析

寬煤柱條件下，在開采接續(xù)工作面時(shí)，接續(xù)工作面回風(fēng)順槽超前100 m 范圍呈現(xiàn)劇烈的礦壓顯現(xiàn)：（1）頂板煤體異常破碎，鋼帶擠壓折曲致破壞，部分錨桿索脫落失效，沒有與頂板達(dá)到充分的接觸面積，最大頂板下沉量達(dá)到1000 mm；（2）幫部擠壓發(fā)生嚴(yán)重變形，實(shí)體煤幫最大變形量為560 mm，寬煤柱幫最大變形量為760 mm；（3）巷道底板變形嚴(yán)重，底板變形多始于巷道中部，然后隨著工作面的推進(jìn)向兩邊擴(kuò)展，底板變形量最大達(dá)到450 mm。綜上所述，超前段回采巷道在工作面開采期間整體呈現(xiàn)變形量大、變形速度快、變形持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)等特點(diǎn)，對(duì)通風(fēng)、行車造成了極大的安全隱患，直接影響工作面的安全生產(chǎn)。巷道變形簡(jiǎn)圖如圖1。

圖1 巷道變形簡(jiǎn)圖

2.2 理論分析

（1）巷道開挖后會(huì)根據(jù)圍巖變形程度由自由面向圍巖深部依次劃分為破碎區(qū)、塑性區(qū)、彈性區(qū)，并且這三個(gè)分區(qū)的范圍不是一成不變的，是隨著工作面的開采引起復(fù)雜的圍巖應(yīng)力環(huán)境變化的[1-2]。以超前巷道某一范圍研究，隨著工作面的推進(jìn)，超前支承壓力顯著增加，巷道圍巖由于所承受的應(yīng)力超過其承載能力，原來處于塑性區(qū)的深部圍巖形成破碎區(qū)，增大了破碎區(qū)深度，而塑性區(qū)范圍繼續(xù)向深部擴(kuò)展，所以圍巖變形量隨著工作面的開采持續(xù)增加。圍巖分區(qū)如圖2。

圖2 圍巖分區(qū)擴(kuò)展示意圖

（2）留設(shè)煤柱并不是越寬越好，留設(shè)30 m 寬的煤柱不僅造成了大量損失，而且使上個(gè)工作面開采造成的高支承壓力都由煤柱承擔(dān)，當(dāng)相鄰工作面繼續(xù)開采時(shí)引起的超前應(yīng)力與煤柱內(nèi)的側(cè)向高支承壓力疊加造成煤柱破壞進(jìn)一步加大[3-4]。

綜上，留設(shè)寬煤柱護(hù)巷不僅造成了大量煤炭資源的浪費(fèi)，而且使高支承壓力范圍分布在巷道和煤柱所處空間內(nèi)，使巷道圍巖變形嚴(yán)重。因此，針對(duì)寬煤柱護(hù)巷存在的問題，在C5 層8106 工作面開展小煤柱沿空掘巷技術(shù)研究，確定其合理的煤柱寬度，有效改善回采巷道壓力，提高煤炭資源回收率，達(dá)到安全高效生產(chǎn)的目的。

3 合理煤柱寬度研究

本文基于極限平衡理論對(duì)合理的煤柱寬度展開研究。合理的窄煤柱寬度可以表示為[5]：

式中：B為煤柱寬度，m；B1為巷道掘進(jìn)后的塑性區(qū)寬度，m；a為掘進(jìn)影響系數(shù)，取1.1；B2為采空區(qū)一側(cè)煤柱塑性區(qū)寬度，m；b為工作面開采影響系數(shù)，取1.2。

B1、B2可分別表示為：

式中：h為巷道高度，m；λ為側(cè)壓系數(shù)；C為煤層與底板界面處的內(nèi)聚力，MPa；φ為煤層與底板界面處的內(nèi)摩擦角，（°）；k為巷道周邊處的應(yīng)力集中系數(shù)；H為煤層埋深，m；P為巷道支護(hù)體對(duì)煤幫的支護(hù)強(qiáng)度，MPa；K為工作面回采引起的應(yīng)力集中系數(shù)；M為煤層厚度，m；γ為容重，N/m3。

8106 工作面煤巖層相關(guān)參數(shù)如下：h、λ、C、φ、k、H、P、K、M、γ分別為3.8 m，0.4，1.5 MPa，13°，2.5，450 m，0.08 MPa，2.8，5.5 m，12 000 N/m3。將上述參數(shù)代入上述公式，可以得到合理的煤柱寬度應(yīng)設(shè)計(jì)為6 m。

4 窄煤柱巷道圍巖控制

4.1 厚煤層窄煤柱巷道支護(hù)難點(diǎn)

結(jié)合8206 工作面生產(chǎn)地質(zhì)條件，使用6 m 寬的窄煤柱有以下支護(hù)難點(diǎn)：（1）厚煤層開采空間大、強(qiáng)度高，圍巖應(yīng)力環(huán)境惡劣；（2）窄煤柱巷道受到多重采動(dòng)影響。

4.2 厚煤層窄煤柱巷道支護(hù)方案

5106 巷道確定采用高強(qiáng)錨網(wǎng)索支護(hù)，充分發(fā)揮圍巖小結(jié)構(gòu)的承載能力，具體支護(hù)方案如下：（1）頂板采用全錨索支護(hù)。錨索的規(guī)格有兩種，一種是5200 mm 的，布置5 根，錨索間排距為1100 mm×900 mm；另外一種是7200 mm 的規(guī)格，布置2 根，間排距是2200 mm×1800 mm。錨索全部垂直于頂板布置，預(yù)緊力不小于300 kN。（2）幫部錨桿為左旋無縱筋螺紋鋼錨桿（Φ20 mm×2400 mm），間排距為800 mm×1000 mm，錨桿全部垂直于幫部布置。實(shí)體煤幫和煤柱幫分別布置3 根錨索，錨索長(zhǎng)度為4200 mm，間排距為2000 mm×900 mm，都垂直于煤壁布置，預(yù)緊力為200 kN。支護(hù)方案如圖3。

圖3 5106 巷道支護(hù)方案圖（mm）

5 應(yīng)用效果

在8106 工作面回風(fēng)順槽采用窄煤柱護(hù)巷，為了檢驗(yàn)煤柱寬度的合理性和支護(hù)方案的控制效果，在本工作面開采期間超前段150 m 處的巷道內(nèi)部設(shè)立了表面位移監(jiān)測(cè)站實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)巷道頂?shù)装寮皟蓭褪諗壳闆r。巷道表面位移監(jiān)測(cè)情況如圖4。分析巷道表面位移監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可知：窄煤柱巷道表面位移變化分為2 個(gè)階段，第一階段是表面位移緩慢變形階段，持續(xù)距離為150～50 m 左右；第二階段是巷道圍巖急劇收斂階段，持續(xù)距離為50～0 m，該階段巷道變形量占總變形量的67%左右。工作面推過該測(cè)站位置，此時(shí)監(jiān)測(cè)位置處巷道的最終底鼓量為72 mm，兩幫最大移近量為64 mm，煤柱側(cè)頂板最大下沉量為127 mm，實(shí)體煤側(cè)頂板最大下沉量為97 mm。與寬煤柱巷道控制效果相比，巷道圍巖變形量得到了明顯控制，表明煤柱寬度和巷道控制對(duì)策實(shí)現(xiàn)了支護(hù)結(jié)構(gòu)與圍巖的協(xié)調(diào)變形，實(shí)現(xiàn)了巷道的長(zhǎng)期穩(wěn)定。

圖4 巷道表面位移監(jiān)測(cè)情況

6 結(jié)論

分析了東周窯礦30 m 煤柱寬度條件下的巷道圍巖變形機(jī)理，基于提高煤柱回收量、保證安全生產(chǎn)原則提出窄煤柱護(hù)巷的優(yōu)化措施，計(jì)算了合理的煤柱寬度，通過現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐驗(yàn)證了窄煤柱巷道的優(yōu)越性和支護(hù)方案的合理性。由表面位移監(jiān)測(cè)站得到最終底鼓量為72 mm，頂板最大下沉量為127 mm，兩幫最大移近量為64 mm。