窄礦柱沿空巷道頂煤變形控制研究

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在窄礦柱沿空巷道中，由于多種作用下[1]導致巷道圍巖變形破壞。巷道兩側的變形量大于頂板和底板的變形量。因此，保持巷道窄礦柱壁的穩定性是沿空掘進巷道變形與控制研究的重點[2]。在相關研究中關于頂煤變形與頂煤支護強度、窄柱寬度、頂煤剛度之間關系的研究較少?，F場調查表明，對頂煤變形應變條件的分析對研究窄礦柱綜放煤巷道的整體穩定性具有重要意義。

1沿空掘進巷道頂煤應力與變形分析

1.1頂煤力學模型

綜放采空區沿空回采巷道一側為巷旁綜合煤，另一側為窄礦柱。工作面上部直接頂冒落后，主頂發生斷裂、回轉和下沉。下段在煤體中形成側向的“楔形塊梁”結構，即“大結構”[3]。沿空掘進巷道后，頂煤、底板、兩幫、窄柱和錨桿作為巷道的支護對象成一個整體，稱為“小結構”[4]。沿空掘進巷道支護的重點是保持小結構的穩定性。沿窄柱采空區掘進巷道與上覆巖層結構的關系如圖1所示。以頂煤水平中心線為軸，以頂煤采空區側面終點為原點O，以巷道旁采煤側向方向為正方向，建立坐標。點A、點B分別表示沿空入井的兩堵墻，C點為頂煤深部應力集中區邊界，頂煤巖層用OD表示，D為足夠遠且不影響計算的隨機點，上覆巖層應力為q1（x），頂煤下的窄煤柱、采空區側面巷道和巷道旁的整體煤柱分別用OA、AB和BD表示，其寬度分別為l、L和a+x0，它們是由窄柱共同作用的q2（x），支持強度p和功率q3（x）。設綜采巷道旁BC側的應力集中系數為α1，窄礦柱OA頂煤為α2。相對巖石應力系數為α3。工作面所受荷載仍為上覆巖層重力γ2H，其中γ2為平均權重，N/m2；H為上覆巖層厚度，m。1.2頂板凹陷曲線以頂板煤層為均質各向同性線彈性材料，梁OD撓度曲線方程為下頁式（5）：參數γ1，γ2，h0，h1，H，α1，α2，α3，E，I1，L，l，a，p是根據采空區巷道現場實際情況和試驗所得的觀測量。將這些參數代入式（6），利用式（6）~式（9）計算c的值c1，c2，c3…，c15，c16通過仿真得到頂煤頂板凹陷曲線。

2頂煤變形影響因素分析

根據地質條件、工作面參數及現場試驗，得到：H=460m，h0=3.10m，h1=5.00m，L=5m，I=10.417，α1=3.00，α2=1.50，α3=0.30，a=19.6m，k1=110MPa，k2=310MPa。室內實驗結果表明，E=1.1GPa，γ1=13.50kN/m3，γ2=26.00kN/m3。計算頂板凹陷值，發現頂板凹陷最大值偏向窄煤柱。

2.1頂板凹陷值與支護強度、窄礦柱寬度的關系

根據大、小結構圍巖穩定性理論[5-6]，采空區側巷道應位于關鍵塊體A、B之間破裂線的外側，窄煤柱寬度可控制在3m～5m之間。頂板凹陷值w、支護強度p、窄礦柱寬度l之間關系。1）凹陷度值隨著支護強度的增大而減小，在相同的窄煤柱寬度下，隨著支護強度的增加，頂板凹陷值變化較小。說明支護強度對頂板凹陷值的影響較小。但在相同支護強度下，隨著窄煤柱寬度的增大，頂板凹陷值變化較大。說明頂板凹陷值對煤柱寬度較窄更為敏感。因此，在沿空巷道設計中應優先考慮窄煤柱寬度。2）頂板凹陷值先快速減小后趨于穩定，礦柱寬度較小時（3.0m～4.0m），頂板凹陷值變化較大，說明礦柱寬度對頂板凹陷值影響顯著。當寬度為4.0m～4.5m時，頂板凹陷值變化不大。當礦柱寬度大于4.5m時，頂板垂度值隨礦柱寬度的增大而緩慢增大，說明礦柱寬度在4.0m～4.5m時，采空區回采巷道處于頂板最易控制的應力降低區。因此，礦柱寬度應在4.0m～4.5m之間。當窄煤柱寬度為4.0m～4.5m時，所需支護強度p為0.4MPa。

2.2頂板凹陷值與頂煤剛度的關系

如果設置窄柱的寬度L0=4.0m時，得到不同支護強度p頂板凹陷值w與頂煤剛度E的關系。頂板凹陷值與頂煤剛度基本成反比關系。當E＜2.0GPa時，頂板凹陷值隨煤巖剛度的增加而迅速減小。說明煤巖剛度的變化對頂板凹陷值有較大影響。當E＞2.0GPa時，頂板凹陷值下降緩慢，說明剛度變化對頂板凹陷值的影響越來越弱。

3工程應用

3.1工程項目簡介

煤層位于地下約460m處，平均深度8.1m，傾角7°。沿采空區掘進巷道的長度為828m。隧道設計寬度為5m，設計高度為3.1m。平均深度為3.9m。主頂平均深度9.8m。頂煤的剛度在0.83～0.99之間，相對較小。

3.2支撐方式

根據上述研究，設定窄礦柱寬度為4m，支護強度0.4MPa，頂煤剛度1.5GPa。錨索、錨網、注漿參數如下：1）采用錨網和吊錨支護隧道頂板。采用7支M20L2400mm高強度變形鋼筋錨桿，設計扭矩為200N·m，預緊力≥78.4kN。巷道兩側各采用5支M20l1800mm變形鋼筋高強度錨桿支護。每個錨栓的設計扭矩為200N·m，預載力大于等于58.8kN，錨栓由兩卷MSZ2350（M20L500mm）樹脂筒固定，陣列間距為900mm，間距為800mm。2）采用注漿保證剛度在1.5GPa以上。對頂煤破碎嚴重的區域，采用化學注漿進行統一錨固注漿。3.3支撐效果巷道側壁頂板凹陷值曲線和巷道側壁變形值曲線如圖2和圖3所示。巷道沿空掘進32d后，巷道變形值接近最大值。頂煤最大頂板凹陷值為91mm，巷道兩側最大變形值為145mm。沿空掘進巷道變形在允許范圍內，證明了上述綜合支護方案的可靠性和有效性。

4結論

1）根據沿空掘進巷道圍巖特征，建立了頂煤力學模型。通過溫克勒彈性建立模型，進行了頂板凹陷值曲線的解析解。2）以實際工程項目為例，得到了不同支護強度、窄柱寬度和頂煤剛度條件下的頂煤頂板凹陷值。分析了三者關系?？梢钥闯?，窄柱寬度和剛度對頂板凹陷值的影響比支護強度的影響更明顯。3）確定了采空區邊巷頂煤的支護參數，并對錨索、錨網和注漿綜合支護的應用提出了建議?，F場試驗證明了該方案的可靠性和有效性。綜上所述，該結論對類似條件下的頂板變形控制及安全維護具有良好的參考意義。

作者：王艷 單位：長治市煤礦安全技術培訓中心