窄煤柱宽度确定与围岩控制技术

2018-11-23张志强

山西冶金 2018年5期

张志强

（潞安集团潞宁煤业有限责任公司，山西忻州 036700）

在沿空掘巷工艺实施当中，合理窄煤柱宽度确定工作十分重要，这是因为留设合理的区段煤柱能够避免下区段回采巷道处在高应力区导致维护困难，同时也可以避免上区段或采空区积水、瓦斯等影响。传统的长壁工作面在开采过程中需要预留一定能宽度的煤柱，通常其长度为30 m，从而保证上下区煤段的稳定性，煤柱的承载性能也相对较好，下区段的回踩巷道可以保持稳定，维护工作也更加容易。

1 方法分析

传统支护方式是采用金属支架进行支护，该项技术在实际使用当中较为落后，并且成本难以控制，为了能够进一步发挥沿空掘巷的优越性。特别是采掘衔接紧张时，难免在回采同时圈定下一个工作面，煤柱宽度的确定尤为重要。某矿受采动影响22115工作面2号煤厚1～4.5 m，平均厚度3.5 m，煤层呈单斜构造，局部地段煤层受古河流冲刷构造影响，顶板凹凸不平，煤层变薄，煤层结构复杂，含两层不连续夹石，煤层层理发育，煤层倾角12°～14°，平均为13°，煤层硬度为3.5。22115回风巷伪顶为炭质泥岩，容易风化，风化后强度低易碎，22115回风巷绕道掘进期间，顶板围岩风化严重，成型差，直接顶为粉砂岩，基本顶为砂岩，硬度较大，属较稳定的岩层。

2 沿空掘巷合理窄煤柱宽度确定

2.1 理论计算

合理窄煤柱宽度B为：

式中：x1为上区段工作面开采在煤柱中产生的塑性区宽度为上区段平巷高度，m；A为侧压系数为泊松比；φ0为煤体内摩擦角（°）；C0为煤体黏聚力，MPa；k为应力集中系数；h为巷道埋藏深度，m；γ为岩层重力密度，MN/m3；P0为上区段平巷支架对下帮的支护阻力，MPa；x2为锚杆锚入煤柱的深度；x3为安全系数，x3=（0.15～0.35）（x1+x2）[1，2]。

依据矿井具体资料，22115回风巷上邻22113运输巷，22113运输巷高3.3 m，泊松比取0.3，侧压系数为0.43，煤体内摩擦角取30°，煤体黏聚力为0.8 MPa，巷道埋藏深度560 m，岩层重力密度为25 MN/m3，22113运输巷下帮支护阻力约0.206 MPa，锚索杆锚入煤柱的深度为2.4 m，22113工作面正在回采，采空区极不稳定，煤柱受两次动压影响，应力集中系数取4，可得x1为10.31 m，x2为2.4 m，x3为1.91～4.45 m，为最终可得煤柱宽度为14.62～17.16 m。

2.2 数值模拟

22115回风巷宽4.3 m，高3.6 m，沿2号煤顶板掘进，2号煤层厚度变化不大，从1.0～4.0 m，平均厚度3.5 m。三维模型的边界条件取为：四周采用铰支，底部采用固支，上部为自由边界。

通过最终模拟情况可知，数值模型中支护参数：锚杆杆体为Φ22 mm左旋无纵筋螺纹钢筋，长度2400mm，杆尾螺纹为M24mm。顶板锚杆间距900mm，每排5根锚杆，排距900 mm。锚索材料为Φ22 mm，1×19股高强度低松弛预应力钢绞线。顶板每排锚杆打2根锚索，间距1 800 mm，排距1 800 mm。两帮锚杆间距950 mm，每排每帮4根锚杆，排距900 mm。外侧帮采用钢筋托梁和金属网护帮，内侧帮采用金属网护帮。

1）22113工作面回采后，22113回风巷外侧煤壁出现应力集中现象，主要表现为垂直应力场，最大值达到23 MPa，应力集中区域在煤壁内3～10 m的范围内。因此，在沿空掘巷时必须避开应力集中区才能有利于巷道维护。

2）在煤柱宽度5 m时布置22115回风巷，正好处于22113工作面回采后的应力集中区。开掘巷道后应力集中向煤体转移并出现应力叠加现象，最大垂直应力26 MPa。应力降低区超出锚杆支护的范围，说明在锚固区巷道围岩受到破坏，锚杆支护不能满足巷道支护的要求。

3）随着22115回风巷与采空区煤柱宽度的增大，垂直应力和水平应力叠加程度逐渐降低，最大垂直应力分别为 28.5、24.7、23.6、23.9 MPa，最大水平应力分别为 12.8、11.87、11.77、11.46 MPa。因此，在煤柱宽度增大到一定值后，集中应力最大值基本不变。

3 沿空掘巷围岩控制技术分析

在巷道顶板以及两帮选择中，主要是采用500号钢的M24-Φ22×2 400 mm的左旋无纵筋螺纹钢锚杆，用两支树脂锚固剂，一支规格为MSK2335，另一支规格为MSZ2360，需要确保锚杆预紧扭矩在400 N·m以上，将锚杆的排距设置为900 mm，锚杆托板为铁制穹型高强托板，并配合上W型钢护板，顶板采用W型钢带。在巷道顶板上布置锚索，锚索的间距为1.8 m之间，排距为0.9 m，在锚索选择上，主要是采用了预应力钢绞线，规格为长度7.3 m、直径Φ22 mm，采用一支MSK2335和两支MSZ2360树脂锚固剂锚固，该锚索张拉预紧力可以达到300 kN。如果在施工过程中发现煤岩较为破碎，则需要适当对支护形式进行调整，从而保障煤矿施工与采集质量与安全。根据当今煤矿行业巷道锚网索应用现状，主要是采用锚网索作为窄煤柱帮的支护材料[3，4]。

1）顶板离层。通常情况下，在实际实施当中顶板离层仪浅基点要比深基点离层值更大一些，如果二者的变化趋势大致相同，则表明通过该工艺施工后取得了一定的效果，降低了围岩顶板的离层量。在对工作面进行各项测点时，巷道离层值可能会产生很大的变化，但是随着后续工作的持续进行，则离层值会逐渐趋于稳定。

2）矿压观测以及效果分析。为了能够验证上述支护工作是否合理，需要对该巷道进行矿压观测，以及掘进阶段和回采阶段围岩具体的变形量。该巷道由于在掘进初期变形速度较快，之后巷道变形逐渐减缓，在掘进了19 d之后逐渐趋于稳定，稳定后对巷道两帮位移量进行测量，数值为200 mm，顶板移动量为150 mm，因此围岩控制效果满足实际标准。在回采初期巷道两帮位移量为950 mm，顶板位移量为670 mm，在工作面前方40 m处的巷道围岩变形量所有增加，且在工作面前方20 m位置变形速度加快，所以在工作面回采过程中需要采用超前支护方法。