王凱

（晉能控股煤業(yè)公司浙能麻家梁煤業(yè)有限公司，山西 朔州 036000）

1 概 況

在我國山西、內(nèi)蒙、新疆等主要產(chǎn)煤區(qū)域，煤層賦存厚度大，開采過程中礦壓顯現(xiàn)強烈，為保護相鄰工作面回采巷道，需留設(shè)一定尺寸的區(qū)段保護煤柱。有的礦區(qū)為保證安全生產(chǎn)，留設(shè)20～30 m寬度的區(qū)段保護煤柱，雖然保障了現(xiàn)場的安全生產(chǎn)，但是浪費了大量的煤炭資源。如能采取一定的技術(shù)措施縮小區(qū)段煤柱尺寸，則可有效提高煤炭資源回收率。本文以麻家梁煤礦為工程背景，對小煤柱護巷技術(shù)進行分析。

麻家梁煤礦是隸屬于晉能控股煤業(yè)集團的大型煤礦，位于山西省朔州市朔南礦區(qū)南部。目前主采煤層為4 號煤層，平均厚度8.42 m，平均傾角3°，偽頂為平均厚度0.35 m 的泥巖，直接頂為平均厚度33.3 m 的粉、細砂巖及中粒砂巖互層，老頂為平均厚度14.9 m 的泥巖及砂質(zhì)泥巖互層，直接底為平均厚度1.5 m 的砂質(zhì)泥巖，老底為平均厚度為5.5 m 的細粒砂巖，詳見表1。

表1 4 號煤層頂?shù)装鍘r性Table 1 No.4 coal seam roof and floor lithology

原設(shè)計中4 號煤層回采工作面間留設(shè)25 m 的區(qū)段保護煤柱，以工作面走向長度1 000 m 計算，因留設(shè)區(qū)段保護煤柱損失的煤炭量可達29.5 萬t，如采取一定的技術(shù)措施，縮小區(qū)段保護煤柱的尺寸，可有效提高煤炭資源回收率。

2 特厚煤層回采巷道小煤柱護巷技術(shù)

針對麻家梁煤礦4 號特厚煤層頂煤厚度大，垮落時引起強烈擾動，而且在工作面回采過程中礦壓顯現(xiàn)強烈的問題，提出采用分層支護技術(shù)對頂板進行支護，并采用卸壓技術(shù)緩解礦壓對巷道圍巖的影響。

2.1 巷道頂板長短錨索分層支護方案

由于特厚煤層開采高度大，回采后形成巨大的采空區(qū)，頂板巖層垮落高度大，擾動強烈，導致巷道圍巖易失穩(wěn)破壞，因此提出采用長短錨索分級支護的方式，對巷道頂板進行支護。如圖1 所示，由于特厚煤層頂煤厚度較大，因此將頂煤劃分為2 個區(qū)域進行支護。首先利用錨桿將淺部頂煤錨固作為第一層支護，稱為高預緊力承載層；然后利用短錨索將頂煤錨固成為一個整體作為第二層支護，在整個支護體系中起到一定的緩沖作用，稱為緩沖結(jié)構(gòu)層；最后采用長錨索將頂煤錨固在上覆穩(wěn)定巖層中，將頂煤與上覆穩(wěn)定巖層錨固形成整體結(jié)構(gòu)，保證巷道圍巖的穩(wěn)定性。

圖1 特厚煤層小煤柱分級支護原理Fig.1 Principle of small coal pillar grading support in extra thick coal seam

麻家梁煤礦14502 軌道巷為矩形巷道，斷面尺寸為寬×高為5 200 mm×3 500 mm，按照前述分析，綜合麻家梁煤礦以往的現(xiàn)場支護經(jīng)驗，頂板錨桿選用φ22 mm×2 500 mm 的左旋螺紋鋼錨桿，間排距為900 mm×1 000 mm；短錨索選用φ21.8 mm×5 000 mm 的錨索，間排距為1 800 mm×1 000 mm；長錨索選用φ21.8 mm×8 500 mm 的錨索，間排距為1 800×2 000 mm。

2.2 巷幫卸壓支護方案

巷幫同樣采用錨桿(索)聯(lián)合支護，錨桿選用φ22 mm×2 500 mm 的左旋螺紋鋼錨桿，間排距為900 mm×1 000 mm；巷幫布置兩根φ21.8 mm×4 000 mm 的錨索，間排距為900 mm×1 000 mm。為緩解工作面回采過程中強礦壓對巷道圍巖的擾動影響，在實體煤側(cè)布置卸壓孔，如圖2 所示。在巷幫實體煤側(cè)布置2 排卸壓孔，2 排卸壓孔之間距離為900 mm，每排卸壓孔的孔間距為500 mm，卸壓孔垂直巷幫布置，深度為20 m，封泥長度為2 m。

圖2 卸壓孔布置Fig.2 Pressure relief hole arrangement

2.3 小煤柱寬度設(shè)計

上區(qū)段工作面回采時，區(qū)段煤柱塑性區(qū)域發(fā)育寬度可由下式計算。

式中：m 為上區(qū)段平巷高度，3.5 m；A 為側(cè)壓系數(shù)，0.33；φ 為煤層內(nèi)摩擦角，30°；C0為煤層粘聚力，2 MPa；Cc為頂板巖層粘聚力，6.8 MPa；k為應(yīng)力集中系數(shù)，2.5；H 為煤層埋深，460 m；γ為頂板巖層平均重度，250 kN/m3。代入計算可得區(qū)段煤柱塑性區(qū)域?qū)挾葹?.5 m。

根據(jù)極限平衡理論，合理的煤柱寬度可由下式計算：

式中：B 為合理的煤柱寬度，m；X2為錨桿在煤柱內(nèi)的長度，2.4 m；X3為一定的安全余量，取1.1 m。代入計算可得合理的煤柱寬度為8.0 m。

2.4 數(shù)值模擬

借助FLAC3D 數(shù)值模擬軟件，對上述支護方案及煤柱寬度的合理性進行分析。麻家梁煤礦4 號煤層及其頂?shù)装鍘r層物理力學參數(shù)見表2。

以麻家梁煤礦14502 軌道巷為工程背景構(gòu)建數(shù)值模型，模型尺寸為長×寬×高為300 m×300 m×100 m，模型上表面施加11.27 MPa 的豎向荷載，模型前、后、左、右及下表面均施加約束。臨近工作面14501 工作面回采過程中，14502 軌道巷巷道圍巖應(yīng)力分布及塑性區(qū)范圍如圖3 所示。

圖3 巷道圍巖應(yīng)力分布及塑性區(qū)范圍Fig.3 Stress distribution and plastic zone range of roadway surrounding rock

由圖3 可以看出，在設(shè)計的支護方案條件下，當區(qū)段煤柱寬度為8 m 時，在14501 工作面回采過程中，區(qū)段煤柱垂直應(yīng)力及水平應(yīng)力均呈現(xiàn)梯形的分布特點，說明區(qū)段保護煤柱具有良好的承載能力。區(qū)段保護煤垂直應(yīng)力最大值為18.49 MPa，水平應(yīng)力最大值為20.18 MPa，通過分析區(qū)段保護煤柱塑性區(qū)范圍，可知區(qū)段煤柱中心超過50%的區(qū)域仍處于彈性變形狀態(tài)，具備良好的承載能力，基本可以維持穩(wěn)定。

3 現(xiàn)場試驗

按照設(shè)計方案，14502 軌道巷支護及卸壓方案如圖4 所示。

圖4 巷道支護及卸壓方案Fig.4 Roadway support and pressure relief scheme

14502 軌道巷與14501 工作面間留設(shè)的區(qū)段保護煤柱寬度為8 m，為了解設(shè)計方案是否合理，在14502 軌道巷布置巷道圍巖變形監(jiān)測點對巷道頂?shù)装逡平?、兩幫移近量及頂板離層量進行實時監(jiān)測，監(jiān)測結(jié)果如圖5 所示。

圖5 現(xiàn)場監(jiān)測曲線Fig.5 Field monitoring curve

由圖5 可知，工作面回采期間，巷道頂?shù)装逡平考皟蓭鸵平孔兓厔莼鞠嗨?，當測點距離工作面較遠時，巷道圍巖無明顯變形；當測點距離工作面在100 mm 范圍內(nèi)時，巷道圍巖變形量開始增大，說明工作面超前支承壓力影響范圍約100 m；在測點距離工作面40 m 范圍內(nèi)時，巷道圍巖變形量急劇增大，說明超前工作面40 m 范圍為超前支承壓力影響距離區(qū)?，F(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示，兩幫移近量最大值為1 150 mm，頂?shù)装逡平孔畲笾禐?30 mm，頂板離層量最大值為25 mm。現(xiàn)場監(jiān)測發(fā)現(xiàn)巷道圍巖變形主要是在距離工作面20 m 范圍內(nèi)產(chǎn)生的，整體來看巷道圍巖變形量并不大，且頂板巖層無明顯離層現(xiàn)象，說明當區(qū)段保護煤柱寬度為8 m 時，在設(shè)計的支護及卸壓方案條件下可以滿足現(xiàn)場的安全生產(chǎn)需求。

4 結(jié) 論

本文以麻家梁煤礦4 號煤層為工程背景，針對4 號煤層厚度大，需留設(shè)20～30 m 區(qū)段煤柱浪費大量煤炭資源的問題，采用理論分析、數(shù)值模擬及現(xiàn)場監(jiān)測等方法確定小煤柱護巷技術(shù)。

（1）巷道頂板采用分層支護的方法進行支護，其中頂錨桿規(guī)格為φ22 mm×2 500 mm，間排距為900 mm×1 000 mm，短錨索規(guī)格為φ21.8 mm×5 000 mm，間排距為1 800 mm×1 000 mm，長錨索規(guī)格為φ21.8 mm×8 500 mm，間排距為1 800 mm×2 000 mm。

（2）巷幫采用卸壓支護的方法進行支護，其中幫錨桿規(guī)格為φ22 mm×2 500 mm，間排距為900 mm×1 000 mm，幫錨索規(guī)格為φ21.8 mm×4 000 mm，間排距為900 mm×1 000 mm，在實體煤側(cè)巷幫布置卸壓孔，卸壓孔直徑為150 mm，長度為20 m，間排距為900 mm×500 mm。

（3）合理的區(qū)段煤柱寬度為8 m。

（4）在14502 軌道巷進行現(xiàn)場試驗，巷道圍巖變形量及頂板離層量監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示，巷道圍巖整體變形量不大，且巷道變形主要發(fā)生在距離工作面40 m 范圍內(nèi)，巷道頂板并無明顯離層現(xiàn)象，說明設(shè)計的方案是合理可行的。