木瓜煤礦“三軟”煤巷小煤柱沿空掘巷技術應用研究

張 磊

（霍州煤電集團呂梁山煤電有限公司木瓜煤礦，山西 方山 033100）

1 工程概況

呂梁山煤電有限公司木瓜煤礦目前主采的10#煤層為復雜結構煤層，傾角4°～8°，平均6°，煤層厚2.3～3.4m，平均厚2.95m，煤巖類型為半亮型焦煤。目前，10#煤層首采區的第二個工作面即將進入準備階段。10-102工作面蓋山厚度+227～+424m，地面標高+1225～ +1335m，工作面標高+927～ +988m。10-102工作面地面位于木瓜村西南方向黃土丘陵下方，上部地表以侵蝕性黃土梁峁為主；井下位于一采區準備巷道左翼，工作面北部與即將回采完畢的10-101工作面相鄰，工作面以東為實體煤，以南為南區實體煤，緊鄰一采區邊界。10-102軌道順槽緊鄰10-101，沿10#煤層頂板掘進，其頂底板巖性特征如表1所示。為提高煤炭資源的采出率，10-102軌道順槽設計采用留小煤柱沿空掘巷技術，但依據礦方提供的煤巖體物力力學實驗室測定的10#煤堅固系數為0.6135，頂板抗壓強度17.23MPa，底板抗壓強度15.69MPa，10-102軌道順槽屬于典型的“三軟”煤巷，巷道掘進過程中支護較困難。為確定留小煤柱沿空掘巷技術的可行性和合理的煤柱寬度，展開了相關的研究。

表1 10#煤頂底板巖性特征表

2 合理煤柱寬度的初步確定

查閱相關的研究成果獲知，工作面回采巷道采用護巷小煤柱和錨網索聯合支護時，煤柱寬度和巷道圍巖變形量的關系為[1]：

其中：

u-巷道圍巖位移收斂量，mm；

B0-煤柱寬度最小值，m；

u0-單一巷道掘進時圍巖變形量，mm；

k1、λ-待定系數，單位：1；

x-護巷煤柱寬度，m；

K-煤柱穩定性系數，一般為0.2～0.33。

由此可知，小煤柱護巷條件下，巷道圍巖的收斂量和煤柱寬度間的關系較復雜，并不是簡單的線性關系。巷道變形量在不同的圍巖性質條件下差異也非常大，根據康紅普教授等相關人員的研究成果，沿空掘巷的頂底板移近率和煤柱寬度的關系如圖1所示。對于軟巖和中硬巖條件下，煤柱寬度在20m范圍內時，沿空巷道圍巖的變形量變化明顯。10-102軌道順槽屬于典型的“三軟”煤巷，圍巖位移量對煤柱寬度的變化更為敏感。當煤柱寬度為10m左右，巷道頂底板移近量達到最大，之后煤柱寬度增大，頂底板移近率不斷減小，通常情況下，當護巷煤柱寬度小于10m條件下，稱為小煤柱沿空掘巷。依據現有的研究成果，工作面回采巷道采用護巷小煤柱和錨網索聯合支護時，合理煤柱寬度的確定主要依據以下原則[2]：煤柱和巷道應力水平較低的原則；錨桿能夠有效地錨固圍巖的原則；滿足隔離臨近采空區的原則；盡可能提高工作面采出率的原則。綜合以上分析及原則，初步確定10-102軌道順槽沿空掘巷煤柱寬度為3～8m。

圖1 巷道頂底移近量與護巷煤柱寬度間的關系

3 “三軟”煤巷沿空掘巷合理煤柱寬度數值模擬

3.1 10-102軌道順槽支護方案

10-102軌道順槽為矩形斷面，巷道掘進凈寬為5600mm，高度為3400mm，采用錨網索聯合支護。錨桿采用Φ20×2000mm螺紋鋼錨桿，每排頂底和兩幫共14根，間排距為1000×900mm，錨桿間通過H型鋼帶橫向連接，每根錨桿采用MSZ2335和MSCK2360樹脂錨固劑各一卷，預緊力為40kN 。頂板錨索采用Φ17.8×6200mm預應力鋼絞線，每排2根，采用“二0二”布置，間排距為2000×1800mm。巷道圍巖采用雙層網護表，內外層分別為鋼筋網和塑料網，網片間搭接距離為100mm。10-102軌道順槽支護詳情如圖2所示。

圖2 10-102軌道順槽錨網索支護斷面

3.2 合理煤柱寬度模擬分析

根據10-102軌道順槽具體的采礦地質條件，為研究其采用小煤柱護巷的可行性及合理的煤柱寬度，利用FLAC3D數值模擬軟件進行研究分析[3-4]。模型由左向右分別為10-101采空區、護巷煤柱、10-102軌道順槽，模型尺寸（長寬高）為210×80×92m。模型上部邊界施加5.5MPa的均布載荷，模型底部為固定邊界，四周邊界水平位移被約束，測壓系數取0.8。模擬計算過程中煤巖體服從摩爾—庫倫屈服準則。數值模型及邊界條件如圖3所示。

圖3 數值模型示意圖

為分析不同護巷煤柱寬度條件下，10-102軌道順槽圍巖的穩定性，數值模擬開挖步驟為：建立模型—初始地應力場平衡—10-101工作面回采—10-102軌道順槽開挖和支護—10-102工作面回采。分別進行留設10-102軌道順槽護巷煤柱寬度為3m、4m、5m、6m、7m、8m的數值模擬計算，比較10-102軌道順槽掘進和10-102工作面回采期間其圍巖的變形量。首先得到10-102軌道順槽掘進期間其圍巖位移量和煤柱寬度的關系如圖4所示。

圖4 掘巷期間不同煤柱寬度條件下圍巖位移曲線

由圖4所示結果可知，煤柱寬度由3m增大到8m，護巷煤柱側的10-102軌道順槽煤幫位移量由42mm增大至205m，頂板下沉量由370mm增大至447mm，10-102實體煤側的煤幫變形量由187mm減小為162mm。由此可知，隨著護巷煤柱寬度的增大，煤柱的承載能力提升，由于煤柱內的能量通常通過其變形釋放，因此導致巷道煤柱側和頂板的圍巖量逐漸增大。當煤柱寬度在3～5m間變化時，頂板下沉量增大明顯，煤柱寬度由5m增大至8m，頂板下沉量基本不變。由此可知，煤柱寬度達到5m后繼續增大，其對于頂板的支撐能力基本不再變化，因此可初步設計護巷煤柱為5m。

圖5 回采過程中不同寬度煤柱圍巖位移曲線

10-102工作面回采期間，10-102軌道順槽圍巖位移量與煤柱寬度的關系如圖5所示。煤柱寬度由3m增大至8m，煤柱幫位移量由46mm增大至307mm，頂板下沉量由652mm增大至928mm，實體煤幫的位移量在400～500mm間交替變化；當煤柱寬度為5m左右時，煤柱內應力水平較低，易于巷道的支護穩定，因此煤柱寬度為5.0m較合理。綜上分析可知，10-102軌道順槽采用小煤柱護巷技術可行，煤柱寬度為5m最為合理。

4 現場應用效果

為考察木瓜煤礦10-102軌道順槽采用5m小煤柱護巷沿空掘巷技術的效果，掘巷期間布置圍巖位移監測點，整理后得到如圖6所示的結果。由圖可知，對10-102軌道順槽圍巖位移監測的30d內，成巷后的前10d內圍巖位移增大明顯，之后圍巖變形量基本穩定不變，最終頂底板移近量最大值約為87mm，兩幫移近量最大值約為148mm，成巷10d后圍巖位移速度為零?？芍?0-102軌道順槽采用5m小煤柱沿空掘巷具有良好的圍巖控制效果。

圖6 10-102軌道順槽掘巷期間圍巖位移規律

5 結論

10-102軌道順槽“三軟”煤巷初步確定護巷煤柱寬度為3～8m，采用FLAC3D進行數值模擬分析，確定煤柱寬度為5.0m。掘巷期間圍巖位移監測結果表明，頂底板移近量最大值約為87mm，兩幫移近量最大值約為148mm。10-102軌道順槽位移量有效的控制在合理的范圍內，取得良好的效果。