導(dǎo)語(yǔ)：窄礦柱沿空巷道頂煤變形控制研究一文來(lái)源于網(wǎng)友上傳，不代表本站觀點(diǎn)，若需要原創(chuàng)文章可咨詢客服老師，歡迎參考。

在窄礦柱沿空巷道中，由于多種作用下[1]導(dǎo)致巷道圍巖變形破壞。巷道兩側(cè)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(wěn)定性是沿空掘進(jìn)巷道變形與控制研究的重點(diǎn)[2]。在相關(guān)研究中關(guān)于頂煤變形與頂煤支護(hù)強(qiáng)度、窄柱寬度、頂煤剛度之間關(guān)系的研究較少?，F(xiàn)場(chǎng)調(diào)查表明，對(duì)頂煤變形應(yīng)變條件的分析對(duì)研究窄礦柱綜放煤巷道的整體穩(wěn)定性具有重要意義。

1沿空掘進(jìn)巷道頂煤應(yīng)力與變形分析

1.1頂煤力學(xué)模型

綜放采空區(qū)沿空回采巷道一側(cè)為巷旁綜合煤，另一側(cè)為窄礦柱。工作面上部直接頂冒落后，主頂發(fā)生斷裂、回轉(zhuǎn)和下沉。下段在煤體中形成側(cè)向的“楔形塊梁”結(jié)構(gòu)，即“大結(jié)構(gòu)”[3]。沿空掘進(jìn)巷道后，頂煤、底板、兩幫、窄柱和錨桿作為巷道的支護(hù)對(duì)象成一個(gè)整體，稱為“小結(jié)構(gòu)”[4]。沿空掘進(jìn)巷道支護(hù)的重點(diǎn)是保持小結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。沿窄柱采空區(qū)掘進(jìn)巷道與上覆巖層結(jié)構(gòu)的關(guān)系如圖1所示。以頂煤水平中心線為軸，以頂煤采空區(qū)側(cè)面終點(diǎn)為原點(diǎn)O，以巷道旁采煤側(cè)向方向?yàn)檎较?，建立坐?biāo)。點(diǎn)A、點(diǎn)B分別表示沿空入井的兩堵墻，C點(diǎn)為頂煤深部應(yīng)力集中區(qū)邊界，頂煤巖層用OD表示，D為足夠遠(yuǎn)且不影響計(jì)算的隨機(jī)點(diǎn)，上覆巖層應(yīng)力為q1（x），頂煤下的窄煤柱、采空區(qū)側(cè)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(qiáng)度p和功率q3（x）。設(shè)綜采巷道旁BC側(cè)的應(yīng)力集中系數(shù)為α1，窄礦柱OA頂煤為α2。相對(duì)巖石應(yīng)力系數(shù)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(quán)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(zhì)各向同性線彈性材料，梁OD撓度曲線方程為下頁(yè)式（5）：參數(shù)γ1，γ2，h0，h1，H，α1，α2，α3，E，I1，L，l，a，p是根據(jù)采空區(qū)巷道現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況和試驗(yàn)所得的觀測(cè)量。將這些參數(shù)代入式（6），利用式（6）~式（9）計(jì)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(jù)地質(zhì)條件、工作面參數(shù)及現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，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(nèi)實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，E=1.1GPa，γ1=13.50kN/m3，γ2=26.00kN/m3。計(jì)算頂板凹陷值，發(fā)現(xiàn)頂板凹陷最大值偏向窄煤柱。

2.1頂板凹陷值與支護(hù)強(qiáng)度、窄礦柱寬度的關(guān)系

根據(jù)大、小結(jié)構(gòu)圍巖穩(wěn)定性理論[5-6]，采空區(qū)側(cè)巷道應(yīng)位于關(guān)鍵塊體A、B之間破裂線的外側(cè)，窄煤柱寬度可控制在3m～5m之間。頂板凹陷值w、支護(hù)強(qiáng)度p、窄礦柱寬度l之間關(guān)系。1）凹陷度值隨著支護(hù)強(qiáng)度的增大而減小，在相同的窄煤柱寬度下，隨著支護(hù)強(qiáng)度的增加，頂板凹陷值變化較小。說(shuō)明支護(hù)強(qiáng)度對(duì)頂板凹陷值的影響較小。但在相同支護(hù)強(qiáng)度下，隨著窄煤柱寬度的增大，頂板凹陷值變化較大。說(shuō)明頂板凹陷值對(duì)煤柱寬度較窄更為敏感。因此，在沿空巷道設(shè)計(jì)中應(yīng)優(yōu)先考慮窄煤柱寬度。2）頂板凹陷值先快速減小后趨于穩(wěn)定，礦柱寬度較小時(shí)（3.0m～4.0m），頂板凹陷值變化較大，說(shuō)明礦柱寬度對(duì)頂板凹陷值影響顯著。當(dāng)寬度為4.0m～4.5m時(shí)，頂板凹陷值變化不大。當(dāng)?shù)V柱寬度大于4.5m時(shí)，頂板垂度值隨礦柱寬度的增大而緩慢增大，說(shuō)明礦柱寬度在4.0m～4.5m時(shí)，采空區(qū)回采巷道處于頂板最易控制的應(yīng)力降低區(qū)。因此，礦柱寬度應(yīng)在4.0m～4.5m之間。當(dāng)窄煤柱寬度為4.0m～4.5m時(shí)，所需支護(hù)強(qiáng)度p為0.4MPa。

2.2頂板凹陷值與頂煤剛度的關(guān)系

如果設(shè)置窄柱的寬度L0=4.0m時(shí)，得到不同支護(hù)強(qiáng)度p頂板凹陷值w與頂煤剛度E的關(guān)系。頂板凹陷值與頂煤剛度基本成反比關(guān)系。當(dāng)E＜2.0GPa時(shí)，頂板凹陷值隨煤巖剛度的增加而迅速減小。說(shuō)明煤巖剛度的變化對(duì)頂板凹陷值有較大影響。當(dāng)E＞2.0GPa時(shí)，頂板凹陷值下降緩慢，說(shuō)明剛度變化對(duì)頂板凹陷值的影響越來(lái)越弱。

3工程應(yīng)用

3.1工程項(xiàng)目簡(jiǎn)介

煤層位于地下約460m處，平均深度8.1m，傾角7°。沿采空區(qū)掘進(jìn)巷道的長(zhǎng)度為828m。隧道設(shè)計(jì)寬度為5m，設(shè)計(jì)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(duì)較小。

3.2支撐方式

根據(jù)上述研究，設(shè)定窄礦柱寬度為4m，支護(hù)強(qiáng)度0.4MPa，頂煤剛度1.5GPa。錨索、錨網(wǎng)、注漿參數(shù)如下：1）采用錨網(wǎng)和吊錨支護(hù)隧道頂板。采用7支M20L2400mm高強(qiáng)度變形鋼筋錨桿，設(shè)計(jì)扭矩為200N·m，預(yù)緊力≥78.4kN。巷道兩側(cè)各采用5支M20l1800mm變形鋼筋高強(qiáng)度錨桿支護(hù)。每個(gè)錨栓的設(shè)計(jì)扭矩為200N·m，預(yù)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(duì)頂煤破碎嚴(yán)重的區(qū)域，采用化學(xué)注漿進(jìn)行統(tǒng)一錨固注漿。3.3支撐效果巷道側(cè)壁頂板凹陷值曲線和巷道側(cè)壁變形值曲線如圖2和圖3所示。巷道沿空掘進(jìn)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(cè)最大變形值為145mm。沿空掘進(jìn)巷道變形在允許范圍內(nèi)，證明了上述綜合支護(hù)方案的可靠性和有效性。

4結(jié)論

1）根據(jù)沿空掘進(jìn)巷道圍巖特征，建立了頂煤力學(xué)模型。通過溫克勒彈性建立模型，進(jìn)行了頂板凹陷值曲線的解析解。2）以實(shí)際工程項(xiàng)目為例，得到了不同支護(hù)強(qiáng)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(guān)系?？梢钥闯?，窄柱寬度和剛度對(duì)頂板凹陷值的影響比支護(hù)強(qiáng)度的影響更明顯。3）確定了采空區(qū)邊巷頂煤的支護(hù)參數(shù)，并對(duì)錨索、錨網(wǎng)和注漿綜合支護(hù)的應(yīng)用提出了建議?，F(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)證明了該方案的可靠性和有效性。綜上所述，該結(jié)論對(duì)類似條件下的頂板變形控制及安全維護(hù)具有良好的參考意義。

作者：王艷 單位：長(zhǎng)治市煤礦安全技術(shù)培訓(xùn)中心