沿空掘巷合理煤柱寬度及支護參數確定

張文豪

(西山煤電集團 技術中心， 山西 太原 030053)

為了提高煤炭資源的開采效率，窄煤柱沿空掘巷技術被廣泛使用，煤柱寬度及沿空掘巷支護參數影響沿空掘巷掘進期間及回采期間圍巖穩定[1-2]. 國內外對護巷煤柱寬度的留設進行了大量的研究。郭重托[3]借助現場實測、數值模擬等手段，分析了不同煤柱寬度2302工作面回風巷圍巖承載演化規律，確定了合理窄煤柱寬度為6.0 m. 李季等[4]以主應力差為研究切入點，利用理論計算及數值模擬等研究方法，研究了深部回采工作面側向采動應力場主應力差分布特征和不同煤柱寬度下沿空掘巷圍巖主應力差分布規律，提出了以主應力差分布規律為依據的深部沿空掘巷煤柱設計思路。柏建彪等[5]通過數值模擬計算分析，研究了綜放沿空掘巷圍巖變形及窄煤柱的穩定性與煤柱寬度、煤層力學性質及錨桿支護強度之間的關系，提出了合理的窄煤柱寬度。

1 工程地質概況

某礦B3103回風順槽一側為B3102工作面采空區，2017年8月回采完畢，3#煤層厚度平均4.8 m，煤層埋深250 m左右，直接頂為6.0 m泥巖，基本頂為7.0 m石灰巖，直接底為3.0 m粉砂巖，基本底為6.0 m泥巖，B3103工作面長度為1 500 m，切眼長度200 m，B3103回風順槽沿頂板掘進，采掘工程平面示意圖見圖1.

圖1 B3103工作面采掘工程平面示意圖

2 沿空掘巷窄煤柱寬度理論計算

極限平衡理論計算模型見圖2，極限平衡理論塑性區擴展深度x1表達式為：

式中：

k1一垂直應力集中系數,取2；

H—煤層埋深，m,取250；

γ—頂板巖石平均容重，kN/m3,取25；

M—煤層厚度，m,取4.8；

β—臨界塑性區側壓系數，β=μ/(1-μ),μ為泊松

比，取0.2，則β=0.25；

φ0—煤體內摩擦角，(°),取35;

α—煤層傾角，(°),取3;

c—煤體黏聚力，MPa,取1.25.

圖2 極限平衡理論計算模型圖

將相關參數代入上式得：x1=2.08 m

窄煤柱理論寬度計算公式為：

B=x1+x2+x3

式中：

x1—塑性區寬度，m；

x2—幫部錨桿有效長度，m，回風順槽錨桿長度為2 000 mm,考慮錨桿外露，此處有效長度取1.8；

x3—穩定性系數，考慮現場因素需要增大的穩定性系數，x3=0.2(x1+x2).

計算得到：

B=x1+x2+x3≥4.656 m

3 沿空掘巷合理煤柱寬度數值模擬

以B3103工作面地質概況為研究對象建立模型，模型共7層。巷道尺寸為4.7 m×3.6 m，沿頂板掘進，其數值計算模型見圖3. 模型的尺寸為300 m×120 m×47.5 m，模型的上部邊界施加與等量的上覆巖層的重量，模型的X、Y方向施加水平約束，Z方向只固定模型下部，上部根據實際應力值設定相應的應力邊界，模型中的物理力學參數見表1. 分別模擬寬度為4 m、6 m、8 m和10 m四種煤柱寬度下沿空掘巷應力變化規律。

圖3 沿空掘巷數值計算模型圖

表1 模型物理力學參數表

數值計算過程為：建立數值計算模型→原巖應力平衡計算→開挖B3102工作面計算→沿空掘巷計算→B3103工作面回采計算→輸出計算結果。

B3103工作面在鄰近工作面B3102回采后的垂直應力分布見圖4. 原巖應力大小為：6.25 MPa，B3103工作面臨近采空區邊緣距采空區0～5 m為應力降低區，峰值位置距采空區邊界10 m，峰值為13 MPa，應力增高區為5～30 m，原巖應力區為30～60 m.

為了確定合理的窄煤柱寬度，首先研究B3103回風順槽掘進期間4個方案中不同寬度窄煤柱垂直應力場分布情況，見圖5.

由圖5可以看出，隨煤柱寬度的增加，沿空巷道煤柱內垂直應力的峰值先增大后趨于穩定，即峰值從4 m煤柱時的3 MPa增大到10 m煤柱時的9 MPa左

圖4 側向支承應力分布云圖

右，然而煤柱4 m時的垂直應力峰值已顯著低于原巖應力，這是由于在掘進的過程中4 m煤柱無法承受采動擾動下的側向采動應力峰值，因此留設4 m護巷煤柱是不利于巷道的長期穩定。隨煤柱寬度的增加，實體煤幫內垂直應力峰值先增大后減小，但其增大的幅度較小，即實體煤內垂直應力峰值穩定在14～15 MPa，煤柱在8 m和10 m巷道圍巖處于高應力環境，巷道圍巖不容易穩定，6 m煤柱能夠起到一定的承載作用，同時處于低應力環境，能夠保持沿空巷道大應力環境下的穩定。

圖5 不同煤柱寬度垂直應力分布規律圖

4 沿空掘巷合理支護參數及現場工業性試驗

頂錨桿使用22/2400螺紋高強錨桿，間排距為850 mm×1 000 mm，采用尺寸150 mm×150 mm×10 mm高強度拱形托盤，錨固方式采用一支CKb2335和一支K2360樹脂錨固劑。頂錨索使用d18.9 mm×6 300 mm的礦用錨索，錨索沿頂板呈2-1-2布置，間距為1 700 mm，排距為1 000 mm，配套使用300 mm×300 mm×16 mm的高強度托盤，使用一支CKb2335及兩支K2360樹脂錨固劑，兩幫采用22/2000螺紋高強錨桿，間排距為800 mm×1 000 mm，采用尺寸150 mm×150 mm×10 mm高強度拱形托盤，錨固方式采用一支CKb2335和一支K2360樹脂錨固劑。B3103回風順槽支護斷面圖見圖6. B3103回風順槽掘進期間的巷道表面位移監測結果見圖7.

由圖7可以看出，采用6 m煤柱寬度配合合理支護參數，B3103回風順槽掘進期間，隨著距掘進頭距離的逐漸增大，沿空巷道兩幫移近量最大值達到150 mm左右，頂底板移近量最大值達到187 mm左右，巷道圍巖變形量較小，驗證了煤柱寬度及支護參數的合理性。

圖6 B3103回風順槽支護斷面圖

圖7 B3103回風順槽兩幫及頂底板移近量圖

5 結 論

探究了沿空掘巷合理煤柱寬度及支護參數，基于極限平衡理論確定了沿空掘巷理論寬度，建立了FLAC3D數值計算模型，分析了一側采空后側向支承應力分布規律、不同煤柱寬度沿空掘巷圍巖應力分布特征，得出了以下結論：

1) 沿空掘巷窄煤柱理論寬度為4.656 m，B3103工作面臨近采空區邊緣距采空區0～5 m為應力降低區，峰值位置距采空區邊界10 m，峰值為13 MPa，應力增高區為5～30 m，原巖應力區為30～60 m.

2) 6 m煤柱寬度配合合理的支護參數，掘進期間兩幫移近量最大為150 mm左右，頂底板移近量最大為187 mm左右，沿空巷道圍巖保持穩定。