麥捷煤業瓦排巷煤柱合理留設及支護技術應用研究

李肖潞

（山西壽陽潞陽麥捷煤業有限公司，山西晉中，045400）

1 工程概況

山西省晉中市壽陽縣解愁鄉榮家溝村麥捷煤業現開采的15#煤層厚度為3.5 m～7.7 m，平均為5.56 m，煤層傾角為13°，f=2.3，煤層結構簡單，局部含有不連續薄層炭質泥巖夾矸，層理節理發育。2018年礦井的相對瓦斯涌出量為12.12 m3/t，絕對瓦斯涌出量為51.69 m3/min，為高瓦斯礦井。第三采區的150311放頂煤首采工作面沿煤層走向布置,厚度為2.7 m～9.75 m，平均煤厚5.5 m，工作面平均埋深為650 m。工作面長度165 m，推進長度650 m，共布置皮帶順槽、軌道順槽和瓦斯尾巷三條順槽，皮帶順槽和軌道順槽沿15#煤層底板布置，瓦斯尾巷沿15#煤層頂板布置，瓦排巷與軌道順槽凈煤柱25 m。

150311瓦排巷（尾巷）屬150311綜放工作面與150312綜放工作面回采時分別使用的瓦排巷道，使回采工作面形成U+L型通風，有效解決回采工作面上隅角瓦斯積聚問題。為了提高采區回采率，本文對瓦排巷與兩個工作面之間煤柱的優化寬度進行了優化。

圖1 巷道布置詳圖

2 合理煤柱寬度分析研究

為了更加直觀的了解瓦排巷與運輸順槽煤柱內塑性區的分布情況，確定合理的煤柱寬度，利用FLAC3D軟件進行數值模擬[1～2]，以150311工作面為研究對象，該礦相鄰采區類似工作面瓦排巷與運輸順槽之間煤柱的寬度為25 m，運輸順槽斷面尺寸為寬×高=5.4 m×4.1 m，瓦排巷斷面尺寸寬×高=4.8 m×3.9 m，回采工作面長度為165 m，沿傾斜方向推進長度為650 m，建立模型的尺寸為：長×寬×高=650 m×200 m×125 m，具體的數值模型如圖2所示。

圖2 數值模擬計算模型

150311工作面平均埋深為650 m，上覆巖層平均容重為2.5×10 kN/m3，垂直方向上施加的均布載荷P=（埋深-頂板厚度）×容重=13.75 MPa。模擬方案為：在150311工作面運輸順槽和瓦排巷煤柱寬度不同的條件下進行150311綜放工作面的回采，在工作面回采完畢后觀察煤柱內塑性區的發育情況，根據工作面的具體條件，分別模擬煤柱寬度為13 m、15 m、17 m、19 m、21 m、23 m。在工作面開采完畢后，在工作面中部設置測點，煤柱塑性區觀測結果如圖3所示。

圖3 不同寬度區段煤柱內部塑性區分布變化圖

由圖3可知，150311工作面回采導致煤柱兩側煤巖體遭到破壞，煤柱內應力集中導致產生一定范圍的塑性破壞區。當煤柱寬度為13 m時，煤柱接近底板的區域產生貫通整個煤柱的塑性破壞，此時煤柱基本上失去了對于上部巖層的支承能力，并且存在運輸順槽和瓦排巷空氣連通的危險；煤柱寬度為15 m～23 m時，煤柱內存在一定寬度的彈性區域，在兩側也存在一定的塑性區域，此時煤柱雖然遭到了一定程度的破壞，仍然具有較好的支承能力，能夠對巷道起到較好的保護作用，確保巷道圍巖的穩定。煤柱寬度為15 m～17 m時，煤柱內部彈性核區的寬度為7.5 m～9.0 m，即有足夠的支承能力，又能減少資源的浪費，提高采出率；煤柱寬度大于17m時，彈性核區寬度過大，不符合綠色高效開采的目的；當煤柱寬度小于15 m時，煤柱靠近底板的區域塑性破壞貫通，煤柱喪失了支承能力，無法保證巷道的穩定性。結合現場實測結果、理論分析和數值模擬分析后，綜合考慮安全、經濟多方面因素后確定合理的煤柱寬度為15 m～17 m。

在不同煤柱寬度條件下進行150311工作面回采，瓦排巷圍巖位移模擬結果整理后得到如圖4所示的結果，由圖可知隨著煤柱寬度的增大，瓦排巷在150311工作面回采影響下圍巖的變形量呈現逐漸減小的趨勢，煤柱寬度由11m增加到15 m時，巷道圍巖的變形量減小最為明顯；煤柱寬度由15 m繼續增大時，瓦排巷圍巖位移量基本不變化，這進一步說明合理的煤柱寬度應為15 m～17 m。

圖4 不同寬度煤柱條件下瓦排巷圍巖變形曲線圖

3 150311工作面瓦排巷支護設計

本著支護強度既要保證150311綜放工作面動壓影響，保證在150311綜放工作面回采完畢后，該巷道又要服務于150312綜放工作面回采的要求，采用動態信息支護設計法進行錨桿支護設計[3～4]。150311瓦斯巷采用樹脂加長錨固強力錨桿錨索組合支護系統。具體支護形式和參數為：

(1)頂板支護

頂板支護采用錨桿錨索+鋼筋梯梁組合支護形式，其中：錨桿一排6根錨桿，間距和排距均為800 mm，錨索在巷道頂板中間對稱布置兩根，間排距為1 600 mm×800 mm。錨桿采用φ22×2 200 mm左旋無縱筋螺紋鋼錨桿，錨固方式為樹脂加長錨固，錨固力不低于230 kN。錨索選用φ21.6×7 200 mm-1×7股高強度低松弛預應力鋼絞線。鋼筋梯梁采用φ16 mm的鋼筋焊接而成，長度2 900 mm，寬度220 mm。

(2)巷幫支護

巷幫支護采用錨桿錨索+鋼筋梯梁組合支護形式，幫部錨桿采用φ20×2 200 mm的螺紋鋼，錨桿錨固方式同頂板。錨桿每排為5根，間排距為800 mm×800 mm。錨索布置：每幫每兩排錨桿打設兩根錨索，排距800 mm，幫錨索距頂板底板均為750 mm，錨索間距為1 600 mm，煤柱側采用φ17.8×4 200 mm的礦用錨索，實體煤側采用φ17.8×7 200 mm長錨索，全部垂直巷幫打設。鋼筋梯梁規格：采用φ16 mm的鋼筋焊接而成，長度3 900 mm，寬度220 mm，巷道支護布置如圖5。

圖5 瓦排巷支護參數示意圖

4 現場應用效果分析

考慮到15#煤層埋深和煤厚較大，綜放開采對于巷道圍巖穩定性影響較大，根據數值模擬結果并綜合考慮施工、安全、經濟等多方面的因素，最終留設煤柱寬度為17 m，150311瓦排巷采用第三節所述的支護形式，為考察支護的效果及煤柱寬度的合理性，在瓦排巷掘進及150311工作面回采期間對其圍巖位移情況進行觀測，整理后得到如圖6所示結果。150311工作面與150312工作面共用瓦排巷掘進過程中圍巖的變形情況如圖6中的（a）所示，圍巖的位移主要集中在成巷初期，圍巖變形主要表現為底鼓，最大底鼓量為250 mm，頂板及兩幫變形量均較小，最大形變量小于150 mm，即取得了良好的支護效果。150311綜放工作面回采期間瓦排巷礦壓觀測結果如圖6中（b）所示，在工作面開采至觀測點之前，瓦排巷圍巖穩定性良好，當工作回采至測點位置時，圍巖變形速度達到最大，回采后瓦排巷底板底鼓量穩定在500 mm以下，頂板下沉量穩定在300 mm左右，兩幫變形量均小于200 mm，圍巖變形量整體上較小，能夠滿足150312工作面通風的要求。

圖6 工作面回采期間瓦排巷圍巖位移觀測結果

5 結論和建議

根據麥捷煤業150311綜放工作面具體的地質條件，通過數值模擬及理論分析得知，其運輸順槽與瓦排巷之間煤柱的合理寬度應為15 m～17 m，考慮到15#煤層埋深和煤厚較大，綜放開采對于巷道圍巖穩定性影響較大，最終留設煤柱寬度為17 m，根據生產經驗進行支護的參數設計，現場應用后證明取得了很好的支護效果，并且將煤柱寬度由25 m減小為17 m，提高了煤炭資源回收率，經濟效益顯著。