温庄煤业15106回风巷沿空掘巷围岩控制技术研究与应用

2021-08-02曹高生

煤 2021年8期

曹高生

(山西潞安温庄煤业有限责任公司，山西长治 046307)

1 工程概况

山西潞安温庄煤业有限责任公司15106工作面位于回风下山东南，西面紧邻 15100工作面采空区，工作面开采15号煤层，煤层厚3.08～4.91 m，平均厚4.45 m，煤层顶板岩层为泥岩和细砂岩，底板岩层为含铝泥岩和泥岩。15106回风巷沿工作面走向呈南北布置，巷道设计沿煤层底板掘进，见图1。为了优化采区巷道布置，提高采出率，15106 回风巷留小煤柱，为确定合理的煤柱宽度及沿空掘巷围岩支护方案，特进行沿空掘巷围岩控制技术的研究。

图1 15106回风巷位置示意

2 煤柱合理宽度分析

2.1 合理煤柱留设原则

根据采区的巷道布置形式可知，在进行区段煤柱的宽度设计时，需要满足的条件主要有以下几个方面：①在沿空掘巷条件下，区段煤柱要保证有一定的承载性；②在本工作面采动扰动下，充分发挥锚杆支护和围岩自承的能力，围岩变形量在允许的范围内，区段煤柱具有较高的稳定性；③与采空区进行隔离，防风隔矸隔水；④区段煤柱在设计时，将塑性区分为靠近采空区侧的塑性区和巷道掘进时产生的塑性区，不考虑本工作面采动影响下内部的塑性区拓展，只需保证本工作面采动影响下具有较高的稳定性即可[1-3]。

2.2 合理煤柱宽度模拟分析

由于矿井地质资料有限，采用理论分析的方式进行煤柱宽度分析时，会存在着较大的误差，现为有效确定合理的煤柱宽度，根据15106工作面的地质条件，采用UDEC数值模拟软件进行煤柱合理宽度的模拟分析。建立模型长200 m、宽 33.4 m。模型左右边界及底部固定，在顶部施加 6 MPa 大小的垂直应力，设置模型中，巷道平均埋深为 250 m，侧压系数取1.0[4]，断面设计尺寸为高 3.6 m、宽 4.7 m，模型中各岩层力学参数见表1。

表1 模型物理力学参数

为确保数值模拟结果的可靠性，数值模拟时先进行15100工作面的回采作业。15100工作面回采完毕后，分别设置3 m、5 m、8 m及15 m 四种煤柱宽度分别进行15106回风巷道的掘进作业，根据数值模拟结果分别分析不同煤柱宽度下围岩垂直应力、煤柱裂隙分布和煤柱变形破坏情况，具体分析情况如下：

1) 垂直应力：不同煤柱宽度下围岩垂直应力分布云图见图2。

图2 不同煤柱宽度下垂直应力分布云图

分析图2可知，煤柱内垂直应力随煤柱宽度的增大而逐渐增大，煤柱宽度为3 m时，应力峰值为3.5 MPa(原岩应力6.25 MPa)，此时煤柱整体处于塑性状态；煤柱宽度为5 m时，煤柱内应力峰值为12 MPa，此时煤柱具有一定承载能力，但煤柱整体呈塑性承载；当煤柱为8 m时，煤柱内应力呈单峰曲线，峰值应力约为20 MPa，高于原岩应力，其峰值出现在巷道6.2 m处；区段煤柱为15 m时，煤柱内应力呈单峰曲线峰值为25 MPa，其峰值出现在巷道6 m处。

2) 煤柱裂隙分布：不同煤柱宽度下煤柱裂隙分布形式见图3。

图3 不同煤柱宽度下掘巷期间煤柱内裂隙分布

分析图3可知，随着煤柱宽度不断增加，煤柱内裂隙闭合区范围越来越大。煤柱为3 m时，煤柱整体处于塑性破坏裂隙区，失去了承载能力；区段煤柱为5 m时，煤柱内裂隙开始出现不贯通区域(即裂隙闭合区)，其范围大约为1 m；区段煤柱为8 m时，煤柱内裂隙闭合区长度约为2.9 m；区段煤柱为15 m时，煤柱内裂隙闭合区长度约为5.1 m。

3) 煤柱变形：根据数值模拟结果，得出15106回风巷掘进过程得出不同煤柱宽度下煤柱破坏变形情况，具体结果见图4。

图4 不同煤柱宽度下掘巷期间煤柱破坏变形曲线

分析图4可知，随着煤柱宽度不断增加，煤柱变形量呈现一个先减小后增大的变化过程。区段煤柱为3 m时，煤柱整体破坏较为严重，临近巷道帮最大变形量超过600 mm，采空区侧煤柱最大变形量约为400 mm；区段煤柱为5 m时，临近巷道帮变形量约为190 mm，采空区侧煤柱变形量约为230 mm；区段煤柱为8 m时，临近巷道帮变形量约为200 mm，采空区侧煤柱变形量约为500 mm；区段煤柱为15 m时，临近巷道帮变形量约为260 mm，采空区侧煤柱变形量约为580 mm。

2.3 煤柱宽度分析

基于上述分析可知，当煤柱宽度为3 m时，煤柱整体发生塑性破坏整体变形较大失去其承载能力，在煤柱宽度从8 m增加到15 m的过程中，煤柱内的垂直应力呈现单峰曲线，应力峰值远大于原岩应力，其峰值出现位置向15106回风巷方向移近，此时煤柱整体破坏变形较大。当煤柱宽度为5 m时，煤柱内应力值高于原岩应力，煤柱具有一定的承载能力，煤柱内开始出现裂隙闭合区，煤柱较为完整，破坏变形相对较小。通过模拟回采期间不同超前距离条件下5 m煤柱的承载特性，验证了5 m煤柱的合理性。考虑到回采过程中受超前支承压力影响，煤体内裂隙闭合区长度的问题，同时巷道掘进过程中的施工问题，为增大掘进及回采过程中巷道的安全系数[5-6]，最终确定护巷煤柱宽度为6 m。

3 围岩控制技术

3.1 支护方案

根据15106回风巷的地质条件，结合6 m煤柱下的变形特征，设计巷道采用锚网索支护方案，具体支护参数如下：

1) 顶板支护：顶锚杆使用 MSGLW-335 22/2400 螺纹高强锚杆，间排距为850 mm×1 000 mm，顶部锚杆垂直于巷道顶板(其中顶角锚杆外偏 15°)打设；锚杆预紧扭矩为300 N·m；顶锚索使用D18.9 mm×6 300 mm 的矿用锚索，锚索沿巷道顶板呈 2-1-2 布置。1 根锚索时，在巷道中部打设；2 根锚索时，沿巷道顶板中心线平均布置，间距为1 700 mm，排距为1 000 mm，锚索预紧力为150 kN，采用10号镀锌经纬网护顶，4 700 mm×1 100 mm(长×宽)，用 16号铅丝联接，双丝双扣，搭接长度不低于100 mm。

2) 两帮支护：采用 MSGLW-33522/2000 螺纹高强锚杆，间排距为800 mm×1 000 mm，帮部锚杆垂直于帮部墙体(其中帮角锚杆外偏 15°)打设；采用高强度拱形托盘，尺寸为150 mm×150 mm×10 mm，采用10号镀锌经纬网护顶，3 600 mm×1 100 mm(长×宽)，用16号铅丝联接，双丝双扣，搭接长度不低于100 mm，锚杆间采用钢筋托梁联结，托梁采用D14 mm的圆钢焊接而成，规格为：D14-3400×80-5-800 mm。

15106 回风巷锚杆支护断面见图5。