沿空掘巷煤柱的合理留設寬度

白淥斐

(潞安環(huán)能股份公司常村煤礦，山西 長治 046200)

隨著煤炭資源的不斷減少，對其回收率要求也逐步提高。相鄰工作面之間需要一定的護巷煤柱，對上覆巖層進行支承以及隔絕有害氣體和礦井水等物質。煤柱寬度和穩(wěn)定性是保證正常生產和巷道有效支護的重要因素。通常大多數(shù)礦井考慮煤柱的位置都會放在采空區(qū)側向支承應力曲線的原巖應力區(qū)，但煤層厚度增加，使其相應的原巖應力區(qū)域也向煤體深部移動。其中厚煤層工作面的極限平衡區(qū)峰值10～15m，特厚煤層極限平衡區(qū)峰值達到45～60m。綜上所述，護巷煤柱的寬度增大，不利于煤炭回收率的提高。本文基于沿空掘巷技術[1-2]施工、縮短煤柱寬度為依據(jù)進行下一步研究。

1 工程背景

22采區(qū)位于常村煤礦井田東南部，2103為首采面（已回采結束），東鄰2103工作面，西鄰22采區(qū)膠帶巷，南側為2205工作面。2205工作面設計走向長約1430m，工作面面長220m，煤層埋深240～250m，該礦主要開采的是12#煤層，平均厚度為6m，煤層傾角4°～6°，近似水平。采用的“一進兩回”的通風方式，布置一條運輸平巷、一條回風平巷和一條瓦斯抽采巷道（見圖1），回風平巷和抽采瓦斯巷相鄰。2203工作面采空區(qū)和2205工作面留設煤柱為38m，2205回風平巷掘進時，巷道采空區(qū)側煤幫巷道已有支護后，巷幫有向巷道內側收斂趨勢。在推進600m后，觀測已掘進巷道的表面位移計，測出（100～500m）巷道有20mm到80mm不等的收斂量，頂板最大下沉量有100mm左右。2205工作面回采期間2205回風巷道變形量更大。2203工作面和2205工作面之間的煤柱變形量大，煤柱支承壓力大，影響礦井正常生產，所以工作面間合理的煤柱留設，為下一區(qū)段巷道布置提供借鑒。

圖1 礦井工作面布置圖

2 煤柱合理寬度

2.1 關鍵塊B的確定

隨著設備性能的不斷提升，長壁開采工作面的面長增加已成為趨勢。柏建彪提出在側向方向上基本頂初次來壓時也會出現(xiàn)“O-X”破斷，直接頂垮落，基本頂在直接頂垮落后，發(fā)生斷裂、回轉和下沉，形成砌體梁結構。弧形三角塊（B）一端回轉后在采空區(qū)觸矸，另一端斷裂后壓在直接頂和煤柱之上，并與相鄰塊體相互咬合形成鉸接結構，鉸接結構受到相鄰巖塊的水平推力作用，相對比較穩(wěn)定[3]（見圖2）。

圖2 沿空掘巷弧形三角塊結構示意圖

2.2 極限平衡區(qū)確定

巷道一側實體煤區(qū)域存在破碎區(qū)、塑性區(qū)、彈性區(qū)及原巖應力區(qū)。煤柱的垂直應力σy的分布如圖3。隨著煤體的垂直應力遠離煤柱邊緣而增長，在煤柱一定寬度時，存在支承應力極限平衡狀態(tài)[4]。

圖3 采空區(qū)實體煤側垂直應力分布

煤層埋深240～250m，2203工作面為回采面，2205工作面為接續(xù)面，煤層平均厚度6m，煤層傾角4°～6°。煤層之上依次是粉砂巖、淺灰色細砂巖，底板為粉砂巖、淺灰色細砂巖、灰色黏土巖。采用經典極限平衡區(qū)公式求解x0。

式中：

m-巷高，3m；

h-開采深度，240m；

K-最大應力集中系數(shù)，2.5；

γ-上覆巖層平均容重，25kN/m3；

C-內聚力，1MPa；

φ-內摩擦角，30°；

f-煤體和頂?shù)装宓哪Σ烈驍?shù)，0.4；

Px-三角煤體對煤柱的支承應力，0.3MPa；

ξ-三軸應力系數(shù)。

求出x0=9.375m。考慮到巷道斷面至少5m寬，故窄煤柱寬度為4.375m，最終取4m寬。巷道布置在極限平衡區(qū)以內的塑性區(qū)，有一定卸壓作用，利于巷道維護，減小變形量。

3 巷道支護參數(shù)

結合礦井實際生產地質條件和巷道圍巖變形破壞的具體情況，采用地質力學評估計算得出巷道合理的錨桿間、排距支護參數(shù)（圖4）。巷道結合錨網(wǎng)+錨桿索+W鋼帶維護巷道圍巖（圖5）。

（1）頂板采用5根錨桿，規(guī)格為Ф22mm×2400mm，間排距為 800mm×900mm，預緊力50kN；采用錨索加強支護，規(guī)格為Φ20mm×8000mm，間排距為1200mm×1000mm。

（2）巷幫采用4根錨桿，規(guī)格為Ф22mm×2500mm，間排距為 800mm×900mm，預緊力50kN。

圖4 巷道支護布置圖

圖5 頂板支護示意圖

綜上所述，在此支護形式下，巷道能滿足通風、物料運輸以及正常出煤的要求，較好地控制巷道圍巖變形量。

4 結論

通過彈塑性變形狀態(tài)下煤柱的極限平衡公式可得出，沿空掘巷煤柱的寬度為4m。礦井應用過程中，待上區(qū)段工作面穩(wěn)定后才能掘巷，沿空巷道布置方式在提高回收率、減小巷道變形等方面有很大優(yōu)勢。