赵庄煤矿23101巷位置选择及支护技术研究

刘 汞

(晋城煤业集团 赵庄煤业公司，山西 长治 046600)

1 工程概况

晋煤集团赵庄煤矿是一座年产量为800万t的现代化矿井，现主要开采3号煤层，煤层厚度1.2～5.25 m，平均4 m，煤层倾角0～8°，平均4°，普氏系数f=0.4～1.32。2310工作面地面标高为+975.8～+1 011 m，煤层底板标高为+456～+512 m，盖山厚度468.5～570.4 m。工作面伪顶为深灰色砂质泥岩，厚度0.78 m；直接顶为深灰色粉砂岩，厚度6 m，抗压强度37.6 MPa，泊松比μ=0.26，内聚力为6.7 MPa，普氏系数f=4.0；基本顶为灰色-浅灰色中粒砂岩，厚度14.2 m；直接底为深灰色砂质泥岩，厚度1.59 m，抗压强度31.9 MPa，泊松比μ=0.24，凝聚力为4.2 MPa，普氏系数f=4.0；基本底为灰色细粒砂岩，厚度1.1 m。2310工作面紧邻2308工作面，为提高煤炭资源采出率，缩短工作面接替时间，决定在保证巷道围岩稳定的前提下，在2308工作面回采期间进行2310工作面进风巷(23101巷)的掘进施工，23101巷为矩形断面，净宽4.5 m，净高3.5 m，设计施工长度1 443.3 m。本文对合理的护巷煤柱宽度和巷道支护参数进行研究。

2 23101巷合理护巷煤柱宽度研究

合理护巷煤柱宽度对于沿空巷道围岩稳定具有关键作用[1]，为确定23101巷最佳区段煤柱宽度，运用FLAC3D数值软件分析不同煤柱宽度条件下迎回采面掘巷期间围岩的稳定性[2]。为准确模拟23101巷留小煤柱掘巷，按照2310工作面实际地质和开采技术条件1∶1建立模型，2308工作面和2310工作面切眼长度均为180 m，为避免边界效应，工作面边界距模型边界应大于20 m，且考虑到区段煤柱宽度通常为0～30 m，故设计模型X方向长度为430 m，模拟工作面推进长度200 m，模型边界各留50 m实体煤，设计模型Y轴方向长度为300 m，2310工作面采高为4.1 m，垂直“三带”高度约为54.5 m，因此设计地层总厚度为70 m，最终模型尺寸长、宽、高分别为430 m、300 m和70 m，见图1所示。模型四周边界施加水平方向的位移约束，底部边界为固定边界，上部边界施加等效于同等覆岩载荷的均布应力，埋深取400 m，垂直应力为10 MPa。设计本次模拟2310工作面留设区段煤柱宽度的备选方案为5～10 m，变化梯度为1.0 m。

图1 三维数值模型

各岩层的力学参数根据实验室物理力学实验结果进行赋值，模型建立及各地层赋值完毕后，首先通过初始平衡得到地应力场，之后进行上区段2308工作面回采巷道的开挖，然后进行2308工作面回采和23101巷道掘进的模拟开挖，2308工作面在距模型右边界50 m处开切眼进行回采，每次推进4 m，23101巷在距模型左边界50 m开口掘进，每次开挖8 m，巷道掘进与工作面回采交替进行，当23101巷掘进迎头与2308工作面相交时，在2308工作面前方10 m取截面，观察23101巷围岩塑性破坏状态，整理得到图2所示结果。

图2 不同煤柱条件下掘巷围岩塑性区分布

由图2可知，23101巷(模拟结果中右侧巷道)掘进期间，区段煤柱宽度为5.0～6.0 m时，巷道顶底板及两帮均出现明显的塑性破坏区，且煤柱帮全部发生塑性破坏，实体煤帮塑性破坏深度最大为4.0 m，整体围岩塑性破坏严重，巷道支护较困难；区段煤柱宽度为7.0 m时，巷道顶板未发生塑性破坏，实体煤帮塑性破坏深度减小为3.0 m，且底板和煤柱帮岩体塑性破坏范围也有明显减小，巷道围岩稳定性明显提高；当区段煤柱达到8.0 m及以上，顶板均未发生塑性破坏，且煤柱帮塑性破坏区未与23082巷联通，煤柱中部存在一定宽度的完整煤岩体，说明此时煤柱具有良好的承载能力，有利于沿空巷道围岩的整体稳定。综上可知，区段煤柱为8.0 m最为合理。

3 23101巷支护方案

参照其他矿井的经验[3-4]，确定23101巷采用锚杆、锚索、钢筋托梁、金属菱形网联合支护方式。具体支护参数为：顶板采用D18 mm×2 000 mm高强度左旋无纵筋螺纹钢锚杆，每排4根，间距1 300 mm，排距1 000 mm，紧靠巷帮的锚杆距帮300 mm，并向巷道外侧倾斜15°布置，锚杆锚固力不小于100 kN，预紧力矩不小于250 N·m；锚索采用D15.24 mm×L4 300 mm的高强度低松弛预应力钢绞线，间排距为2 500 mm×3 000 mm，采用三支树脂锚固剂加长锚固，一支MSK2335，两支MSZ2360，设计锚固长度1 970 mm。两帮采用D18 mm×1 800 mm的螺纹钢锚杆，每排4根，间距1 000 mm，排距1 000 mm，最上一根距顶板250 mm，最下一根距底板250 mm，与垂直方向成15°安装，锚固力不小于100 kN，预紧力矩不小于60 N·m，所有锚杆锚固剂为一支MSK2335和一支MSZ2360树脂药卷。巷道表面采用10号铁丝编制而成的金属菱形网，网格为50 mm×50 mm。钢筋托梁采用D14 mm的钢筋焊接而成，宽度为80 mm，顶钢筋托梁长度为4.3 m，四孔，帮钢筋托梁长度为3.3 m，四孔。23101巷支护示意如图3所示。

图3 23101巷支护方案(mm)

4 现场应用效果

23101巷区段煤柱宽度留设8.0 m，采用上述支护方式，为考察煤柱留设宽度及支护方式的合理性，采用“十字布点法”对23101巷掘进期间及2310工作面回采期间巷道表面变形量进行了观测，观测结果如图4和图5所示。

图5 工作面回采期间巷道表面位移变化规律

图4 掘进期间巷道表面位移变化规律

由图4可以看出，成巷后巷道表面位移量稳步增大，滞后迎头处约100 m，巷道表面位移量趋于稳定，顶板下沉量最大为13 mm，底板底鼓量最大为59 mm，顶底板相对移近量最大为72 mm；煤柱帮内移量最大为51 mm，实体煤帮内移量最大为36 mm，两帮相对移近量最大为87 mm，巷道表面位移量很小，围岩整体稳定。

由图5可以看出，直至工作面回采至测点附近，顶底板相对移近量约为228 mm，两帮相对移近量约为257 mm，巷道表面位移量在合理范围内，能够满足工作面正常生产的断面需求。

5 结 语

根据赵庄煤矿2310工作面实际地质条件，确定了沿空掘巷护巷煤柱最佳宽度和巷道支护方案，通过现场应用监测，巷道表面位移量在合理范围内，取得了良好效果，保障了工作面的安全生产。