青洼煤業2103工作面留小煤柱沿空掘巷技術研究與應用

劉江華

（晉煤集團翼城晟泰青洼煤業，山西 翼城 043500）

1 工程概況

晉煤集團翼城晟泰青洼煤業2103綜采放頂煤工作面開采2#煤層，容重為1.43t/m3。煤層傾角為8～11°，平均9.5°，煤層厚度為3.85～6.2m，平均厚度4.66m，穩定可采。2號煤層結構較簡單，煤層的實際埋藏深度為216.4～237.7m。2103工作面直接頂板為粉砂巖，厚4.0m，黑灰色，厚層狀；老頂為泥巖，厚3.25m；直接底為泥巖，厚1.5m，深灰色；老底為粉砂巖，厚7.0m。2103綜放工作面生產系統由21031巷（進風巷）、2103開切眼、21032巷（回風巷）組成。2103工作面位于礦井一盤區北部，工作面東北部為實體煤，西北側為礦井邊界保護煤柱，西南側為正在回采的2102工作面，東南側為一采區回風下山。2102工作面與2101工作面間區段煤柱寬度為30m。根據現場應用情況表明，巷道圍巖變形量很小。為了提高2#煤層采出率，設計減小2103工作面和2102工作面間區段煤柱的寬度，即設計21031巷采用留小煤柱沿空掘巷技術進行施工。本文以21031巷的掘進和支護為工程背景，對護巷煤柱的合理寬度及支護方案進行研究分析。

2 煤柱合理寬度研究分析

留小煤柱沿空掘巷通常指護巷煤柱寬度小于10m的條件下進行巷道的掘進，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[1-2]：（1）煤柱和巷道圍巖內應力水平較低的原則；（2）煤柱幫錨桿可錨性原則；（3）預留巷道變形原則；（4）隔離采空區的原則；（4）提高工作面采出率的原則。確定沿空掘巷護巷小煤柱寬度方法主要有工程類比法、數值模擬分析及理論計算等方法。根據青洼煤業2103工作面具體的地質條件，選用理論計算的方法確定21031巷合理的煤柱寬度。為控制巷道變形、提高工作面采出率，應盡可能地減小煤柱寬度。但煤柱過窄時，煤柱內煤體將完全處于破碎狀態，錨桿錨固效果差，巷道易快速嚴重變形。綜合考慮以上因素得出合理的最小煤柱寬度B為[3]：

其中：

x1-臨近的2102工作面回采引起21031巷煤柱幫內破碎區的寬度， m；

x2-煤柱幫錨桿有效長度， m；

x3-與煤層厚度的相關性系數，通常取0.2（x1+x2），m；

x1的計算公式為：

式中：

m-巷道高度，21031巷高度為3.4m；

λ-測壓系數，取0.3；

φ-煤層內摩擦角，為30°；

C-煤層內聚力，為0.8MPa；

σym-巷道煤柱內垂直應力；

K-應力集中系數，取2.5；

γ-上覆巖層體積力，取0.025MN/m3；

H-巷道平均埋深，取220m；

Px-臨近工作面回采后原有的錨網支護系統對煤柱的水平應力，取0。

將以上參數代入式（2）計算可得x1=1.89m。x2根據臨近工作面回采巷道的支護參數取2.0m，代入式（1）計算得B=4.67m。因此可知21031巷合理煤柱寬度為5m。

3 留小煤柱沿空掘巷高強錨網索支護技術

對21031巷進行采礦地質條件及煤巖物理力學性能試驗研究表明，21031巷兩幫煤樣的堅固系數為0.5879，頂板粉砂巖巖樣的平均單軸抗壓強度為19.69MPa，底板泥巖巖樣的平均單軸抗壓強度為16.34MPa。綜上可以看出21031巷屬于典型“三軟”煤巷，10-102軌道順槽屬于典型的“三軟”煤巷，該條件下巷道圍巖變形控制較困難[4]。21031巷護巷煤柱由30m大煤柱改為5m小煤柱，巷道受到上區段采空區側向支承壓力及鄰近2102工作面采動的影響將更加劇烈。為有效控制圍巖的變形，故應提高21031巷支護的強度。

2102工作面回采巷道采用錨網索支護技術。為更加合理地確定21031巷錨網支護的參數，類比21021巷原有支護方案及控制效果，提出以下支護方案。

方案一（21021巷支護方案）：21031巷采用矩形斷面，斷面尺寸寬×高=5.6×3.4m，頂板和兩幫錨桿采用Φ20×2000mm左旋高強錨桿，每排14根，其中頂板6根，兩幫各4根，間排距1000×900mm，每根錨桿采用CK2360和Z2388樹脂錨固劑各一卷，頂板靠近肩窩處的錨桿向外側傾斜15°安裝，兩幫靠近頂角、底角的錨桿安裝時分別設置15°的仰角、俯角，其余錨桿均垂直圍巖表面安裝，錨桿安裝時預緊力為40kN，扭矩為150N·m，頂板同排錨桿及兩幫同排錨桿間通過H型鋼帶進行聯結；頂板錨索采用Ф17.8×6200mm的1×7預應力鋼絞線，采用“二二”布置方式，采用W型鋼帶沿巷道軸向連接，間排距為2000×1800mm，采用2條Z2388樹脂錨固劑，安裝預緊力120kN。巷道表面采用雙層網，內外層分別為鋼筋網和塑料網。21031巷支護斷面如圖1所示。

方案二：錨桿間排距減小為800×800mm，兩幫和頂板各增加一根錨桿，每排共17根錨桿，錨索采用“三花”布置方式，間排距為2200×800mm，其余參數不變。

方案三：在方案二的基礎上將頂板和實體煤幫的錨桿長度增大至2400mm，其余參數不變。

圖1 21031巷支護斷面

為具體分析青洼煤業21031巷采用留小煤柱沿空掘巷的可行性，并確定其合理的支護方案，采用FLAC3D數值模擬軟件，以21031巷掘進為工程背景，研究分析不同支護方案條件下圍巖的應力分布和巷道圍巖的位移情況。模型尺寸長×寬×高=210×300×100m，煤層平均埋深為220m，2102工作面采空區采用一次性換充填材料模擬采空區冒落矸石，模型上方邊界施加5.5MPa的均布載荷。21031巷掘進斷面寬×高=5.6×3.4m。模擬方案：首先進行2102工作面的開挖，然后在不同支護條件下進行21031巷的開挖和支護。不同支護方案條件下，巷道圍巖內垂直應力分布情況如圖2所示。不同支護方案條件下，21031巷淺部圍巖均出現一定面積的應力降低區。其中方案一淺部圍巖的應力降低區面積較大，方案三相對于方案一和方案二巷道淺部圍巖的應力降低區面積較小。由此可知，不同支護方案能夠顯著影響淺部圍巖內的應力分布，隨著支護強度的提高，圍巖的整體性和承載能力明顯上升，方案三支護效果最為明顯。

圖2 不同煤柱寬度條件下巷道掘進圍巖應力分布

不同支護方案條件下，21031巷圍巖變形情況如圖3所示。由圖可知，巷道的變形量隨著圍巖深度的增大逐漸減小，巷道表面的圍巖變形量最大，不同支護方案條件下圍巖的位移量存在很大差異。支護方案二相對于支護方案一，煤柱幫、頂板、實體煤幫、底板的位移量分別減小31%、34%、25%、30%；方案三相對于方案二，煤柱幫、頂板、實體煤幫、底板的位移量分別減小28%、22%、23%、29%。通過提高支護強度能夠顯著減小圍巖的位移量，其中支護方案一支護強度較低，圍巖的位移量較大，方案三支護效果最好，圍巖位移量在合理范圍內，因此設計采用支護方案三。

圖3 不同支護方案條件下圍巖位移量

4 現場應用效果監測

青洼煤業21031巷掘巷時與鄰近工作面區段煤柱寬度為5m，巷道掘進期間采用上節所述的方案三進行支護。為考察其煤柱留設和支護方案的合理性，在21031巷掘進期間進行圍巖位移監測，得到圖4所示的結果。

圖4 21031巷掘進期間圍巖位移情況

巷道圍巖在成巷后10d內變形速度較快，隨著時間的增加，圍巖的變形速度逐漸減小，成巷后30d圍巖位移速度趨近于零，頂底板最大移近量為142mm，煤柱幫內移量最大為75mm，實體煤幫內移量最大為62mm，圍巖位移量控制在合理的范圍內，圍巖控制效果良好。

5 結論

為提高青洼煤業2#煤層的采出率，設計在2103工作面進行留小煤柱沿空掘巷應用試驗，確定21031巷護巷煤柱寬度為5.0m，確定合理的支護方案。21031巷掘進期間圍巖變形量較小，為礦井的安全高效生產提供保障。