淺埋深小煤柱沿空掘巷圍巖控制技術探討

張哲瑞

（山西能源學院，山西 晉中 030600）

1 工程背景

薛虎溝煤礦2-106A工作面運輸順槽位于井田東北部，走向長200 m，傾斜長790 m，沿傾向推進，開采2#煤層。2#煤層位于山西組中上部，煤層厚度3.2～5.0 m，平均3.4 m，結構簡單，煤層傾角平均為4°，工作面平均埋深200 m。2-106A工作面西北為2-105 工作面采空區，東北為井田邊界，與老窯頭煤業相鄰，西南為南翼主運巷Ⅱ段、東南為2-106B工作面采空區。

2-106A工作面2#煤層老頂為中粒砂巖，厚度為3.6 m，灰白色，砂質結構，中厚層狀構造，層理發育，堅硬穩定性較好；直接頂為砂質泥巖，部分區域受上分層采空影響冒落；直接底為砂質泥巖，厚度5.2 m，層狀結構，含植物化石且質軟。為優化采區巷道布置、節約支護成本、提高煤炭采出率，該工作面運輸順槽采用窄煤柱護巷的方式施工。

2 合理煤柱寬度確定

沿空掘巷作為一種較為特殊的回采巷道，它不僅能夠提高礦井回采率，也有利于巷道圍巖穩定，逐漸成為現階段礦井的主要發展方向［1］。參考已有的相關研究成果，煤柱尺寸過寬會造成煤炭資源浪費，煤柱尺寸過窄則導致煤柱應力集中，破碎區范圍內裂隙發育，煤柱失去承載性能而發生變形破壞。因此，區段煤柱的寬度應大于極限平衡條件下的區段煤柱寬度，為此建立合理寬度的計算模型見圖1。

圖1 沿空掘巷窄煤柱合理寬度計算模型

由圍巖平衡極限理論［2-3］可得留設煤柱最小寬度為：

其中，塑性區的寬度X1為：

式中：Xl為上個工作面采空區側煤巖體塑性區的寬度；X2為巷道錨桿支護煤柱側錨桿長度；X3為煤柱穩定性安全儲備，一般取0.2 (Xl+X2)；m為巷道高度，2-106A運輸順槽高度為3.4 m；λ為測壓系數，取0.3；φ為煤層內摩擦角，取30°；C為煤層內聚力，為0.8 MPa；σym為巷道煤柱內垂直應力，取13.75。

根據薛虎溝煤礦相關煤巖力學參數，巷道錨桿支護有效長度X2=2.0 m，由式（2）可得塑性區的寬度X1=1.98 m，則煤柱穩定性安全儲備X3=0.796 m，將數據帶入式（1）中，經計算可得，留設煤柱最小寬度為B=4.776 m，因此該沿空巷道設計的煤柱寬度為5 m。

3 沿空掘巷合理煤柱寬度數值分析

3.1 錨網索聯合支護方案

2-106A工作面運輸順槽為矩形斷面，巷道的凈寬為5 600 mm，凈高為3 400 mm。采用錨網索聯合支護方式。錨桿采用型號為Φ20 mm×2 000 mm左旋縱筋螺紋鋼錨桿，每排頂板和兩幫共14 根，間排距為1 000 mm×900 mm，每根錨桿采用一支K2335 型藥卷在上和一支Z2360 型藥卷在下的錨固方式進行錨固，靠近肩窩處的錨桿向外側傾斜15°安裝，預緊力為40 kN。錨索采用Ф17.8 mm×6 200 mm的預應力鋼絞線共4 根，每排2 根，配套安設防墜掛鉤或用雙股鐵絲吊掛，間排距為2 000 mm×1 800 mm，采用2 條Z2388 樹脂錨固劑，安裝預緊力120 kN。巷道表面采用雙層網，內外層分別為鋼筋網和塑料網，網片間搭接距離為100 mm。此外，在巷道圍巖破碎、大跨度斷面區域，采用U型鋼進行補強支護。2-106A運輸順槽支護見圖2。

圖2 2-106A 運輸順槽支護斷面

3.2 合理煤柱寬度模擬分析

（1）建立模型

為了進一步確定護巷煤柱的寬度是否合理，利用FLAC3D數值模擬軟件進行研究分析。根據現場實際情況，建立尺寸（長、寬、高）為210 m×80 m×92 m的模型。模型各巖層的相關物理力學參數見表1，模型底部為固定邊界，四周邊界水平位移被約束，在模型的上邊界施加5.5 MPa的等效載荷替代煤層埋深200 m的覆巖載荷。模擬過程：臨近工作面回采，2-106A運輸巷開挖，2-106A工作面回采。

表1 煤巖物理力學參數

（2）模擬分析

基于對上述巖層相關物理力學參數的分析，分別選擇煤柱寬度分別為3 m、4 m、5 m、6 m、7 m和8 m等6 種方案進行模擬，得到不同煤柱寬度條件下圍巖變化曲線見圖3。

圖3 不同煤柱寬度條件下圍巖變化曲線

由圖3 可知，當煤柱為3 m時，煤柱幫移近量僅為42 mm，實體煤幫高達187 mm；隨著煤柱寬度的增加，左幫的移近量在增加，而煤柱右幫的移近量在減少；當煤柱寬度增加為8 m時，巷道頂板的下沉量由原來的370 mm增加至447 mm。由此可知，巷道圍巖的變形量隨著煤柱的寬度的不同而不斷變化，在煤柱寬度為3～5 m的范圍內變化最大，5 m之后頂板的下沉量基本不變；這說明當煤柱寬度大于5 m時，巷道產生的塑性區較小，達到了圍巖控制變化的目的，故該運輸順槽采用5 m寬的護巷煤柱。

4 應用效果

為了檢驗2-106A工作面運輸順槽采用5 m小煤柱護巷沿空掘巷技術的效果，掘巷期間布置測站對不同煤柱寬度條件下頂板的下沉量和兩幫的移近量進行實時觀測，得到的數據見圖4。

圖4 巷道表面位移曲線

由圖4 可知，巷道開挖初期（0～4 d），受掘進擾動影響，頂板和兩幫的變形量迅速增加，底板下沉量增加至38.8 mm，煤柱幫的移近量增加至28.6 mm。隨著工作面的推進，巷道表面的移近量緩慢增加，18 d時，頂板的下沉速度由14 mm/d降至3.6 mm/d，煤柱幫的移近速度由最大的8 mm/d降至2.1 mm/d；且在30 d后趨于穩定，此時頂底板的最大移近量為156.8 mm，煤柱幫的最大移近量為80.5 mm，實體煤幫的位移量最大為62.4 mm。這說明該沿空巷道采用5 m的煤柱護巷和錨桿索支護方案后，可以有效地控制圍巖的變形。

5 結語

針對薛虎溝煤礦2-106A運輸順槽的地質條件，通過理論計算確定窄煤柱護巷的最小寬度為4.776 m，并采用數值模擬的方法，對不同煤柱寬度條件下的圍巖變形情況進行分析，最終確定最合理的煤柱寬度為5 m。對2-106A運輸順槽進行礦壓監測，成巷30 d時頂板的移近速度由最大的14 mm/d降至3.6 mm/d，煤柱幫的最大移近量為80.5 mm，實體煤幫的位移量最大為62.4 mm； 這說明圍巖控制效果良好，所設計的護巷煤柱寬度和支護方案取得了良好的應用效果。