小煤柱沿空掘巷围岩控制技术研究

2018-02-19孙春生

山西焦煤科技 2018年10期

孙春生

(西山煤电集团有限责任公司马兰矿，山西太原 030205)

我国很多矿区赋存4 m以上的厚煤层，传统的开采方法是厚煤层分层开采或放顶煤开采，而大采高一次采全高的开采方法因工艺简单、煤炭损失少，得到广泛应用。厚煤层工作面沿上区段采空区留小煤柱掘巷技术在特定条件下围岩控制效果较为理想[1-7]. 但绝大多数矿区，沿空掘巷后受顶底板岩性、煤层特性和开采强度等条件影响，巷道形成时间稍长或受工作面采动，巷道围岩变形极为敏感，沿空侧煤壁位移强烈，肩角剧烈下沉，巷道围岩变形破坏显著，沿空掘巷围岩控制技术需要有新的根本突破[8-14]. 另外，对厚煤层综采放顶煤开采工艺下的小煤柱沿空巷道研究的较多，但对于厚煤层一次采全高开采工艺沿空巷道研究的很少[15，16].本文对淮南矿业集团某矿11613大采高综采工作面轨道顺槽小煤柱沿空掘巷支护技术进行了研究。

1 工程概况

11613工作面标高-640～-720 m，位于矿井东翼13-1煤层采区东翼六阶段，工作面西至东一C组采区回风下山，东至-720 m东二13-1采区轨道石门，北至11513运输顺槽，南到-720 m煤层底板等高线；北边11513工作面已于2004年10月收作，11613回风顺槽车场正在掘进，11613底抽巷和顶板抽采巷已施工完毕，-720 m以下13-1煤尚未开采，走向长度1 932 m，倾斜长度205 m. 煤层产状185°～200°∠10～15°，平均厚度5.53 m，煤层结构0.43 (0.3) 3.6 (0.4) 0.8 m，煤层为黑色，以粉末状为主，含较多颗粒及少量块状，属半暗半亮型，含1～2层泥岩或炭质泥岩夹矸。煤层倾角10°～15°，平均倾角12°. 煤层基本顶为中砂岩，厚度为5.47 m，颜色为灰白色，主要为石英，长石次之，硅质胶结，缓波状层理，局部相变为砂质泥岩。直接顶为泥岩和13-2煤，厚度为4.56 m，泥岩为深灰色，泥质结构，含较多植化碎片，见滑面，易碎；13-2煤局部相变为炭质泥岩。

2 巷道稳定性数值模拟

采用FLAC数值模拟软件，根据矿井各岩层、煤层参数值制定了模拟方案。巷道开挖后，巷道高帮布置两排走向锚索梁，并在煤体内注水泥浆液，在巷道的高帮、低帮、顶板、底板表面分别布置收敛测点，待巷道变形稳定后，得到表面收敛曲线，分别见图1，2，3.

1) 对比图1中的a)和b)，可以看到巷道变形机理的区别，造成巷道底鼓主要有3个因素：高帮在应力作用下向底板侧运动；低帮在应力作用下向底板运动；底板深部岩体本身在应力作用下的底板鼓起。加固前，三者对底鼓的贡献比率大致为40%、40%、20%；高帮加固后，三者的比率大致为20%、30%、50%.同时得出，巷道两帮向底板运动是造成底鼓的主要原因，在实践中加固帮部可控制巷道底鼓。

图1 巷道变形矢量图

图2 加固后巷道帮部变形曲线图

图3 加固后巷道顶底板变形曲线图

2) 高帮变形量为196 mm，低帮变形量为271 mm.高帮采取锚索梁加固及注浆后，高帮的变形减少幅度达到48%，低帮变形量略微减少，减少量仅10 mm.

3) 顶板变形量在122 mm左右，底鼓量达到700 mm，底鼓量占到顶底板变形的85%.采取高帮加固后，顶板的变形量减少了13 mm，而底鼓量减少105 mm.由此可见，加固帮部对于底鼓量的控制有一定的效果。

4) 巷道掘进后，小煤柱出现同时向巷道内和上区段变形的现象，正是这种张拉作用破坏了小煤柱的结构。巷道高帮变形量大于低帮，底鼓量大于顶板下沉量，小煤柱80%的变形均为巷道侧3 m表面的松动扩容变形，本区段实体煤变形主要集中在8 m范围内，底鼓主要集中在底板5 m的区域。

3 巷道围岩支护方案

为保证巷道在最终变形后能满足通风、行人等安全生产需要，预留巷道断面以满足变形的要求，巷道断面均为直墙梯形，轨道运输巷设计断面：净宽5.0 m×中高3.0 m.

1) 巷道顶板采用7根IV级左旋螺纹钢超高强预拉力锚杆加5.0 m长M5型钢带、钢筋网(80 mm×80 mm，5.2 m×1.0 m)联合支护，锚杆规格为d22-M24-2 800 mm，每根锚杆用d28 mm钻头打眼、两节Z2380型中速树脂药卷加长锚固；锚杆间距750 mm，排距800 mm.

2) 巷道低帮采用4根IV级左旋螺纹钢超高强预拉力锚杆加2.4 m长M5型钢带、钢筋网(80 mm×80 mm，2.4 m×1.0 m)联合支护，锚杆规格为d22-M24-2 500 mm. 每根锚杆采用一节Z2380型中速树脂药卷加长锚固；锚杆间距为700 mm，排距为800 mm.

3) 巷道高帮采用3根IV级左旋螺纹钢超高强预拉力锚杆和两根4.3 m长的锚索加3.4 m长M5型钢带、钢筋网(80 mm×80 mm，3.4 m×1.0 m)联合支护，排间相邻的两根锚索采用1.2 m的14#槽钢(两眼孔，孔间距800 mm)连接。锚杆规格为d22-M24-2 800 mm，每根锚杆采用两节Z2380型中速树脂药卷加长锚固；锚索规格为d21.8 mm×4.3 m，眼孔深度4.0 m，每孔采用两节Z2380中速树脂药卷加长锚固，以保证锚固效果；预紧力80～100 kN，锚固力不低于200 kN. 具体参数及布置形式见图4,5. 锚杆间距为750 mm，排距为800 mm. 巷道超高导致帮部钢带离底板超过250 m时，要求在巷道下方沿走向铺钢带压网打锚杆，锚固要求不变。

4) 在顶板每排锚杆中间位置布置一套高预应力锚索梁，钢绞线规格为d21.8 mm×7.8 m，钢绞线下铺设2.6 m的14#槽钢，槽钢上三眼孔，间距1.1 m，排距为800 mm. 同时沿巷道走向布置两排走向锚索梁，钢绞线下铺设1.2 m的14#槽钢。所有的锚索和槽钢间配16 mm×100 mm×200 mm铁垫。锚索眼孔深度为7.5 m，每孔采用三节Z2380中速树脂药卷加长锚固，以保证锚固效果；预紧力80～100 kN，锚固力不低于200 kN. 锚索梁紧跟迎头施工，具体参数见图4，5.

图4 11613工作面上顺槽锚带网索支护参数图

图5 11613工作面上顺槽高帮支护参数图

4 巷道围岩支护效果

为了解沿空掘巷支护效果，对11613工作面小煤柱沿空掘巷进行观测，以掌握大采高综采条件下小煤柱沿空掘巷围岩活动规律和矿压显现特征，为其他工作面提供参考。经过观测得到变形量曲线和变形速率曲线，分别见图6，7. 巷道的变形主要集中于巷道掘出后30 d，变形量占到总体变形的70%以上，超过50 d后，巷道围岩变形趋于稳定。