窄煤柱沿空掘巷技術(shù)在趙莊二號(hào)井的應(yīng)用

田偉寧

【摘 要】 文章針對(duì)趙莊二號(hào)井3#煤回采工作面區(qū)段煤柱留設(shè)寬度較大、煤炭資源回采率低的問(wèn)題，采用理論計(jì)算和數(shù)值模擬相結(jié)合的研究方法，確定了2325綜采工作面2107巷留窄煤柱沿空掘巷時(shí)煤柱最佳寬度為8m，并給出了相應(yīng)的支護(hù)方案。現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)結(jié)果表明：當(dāng)煤柱寬度為8m并采取相應(yīng)支護(hù)措施后，沿空巷道頂?shù)装搴蛢蓭妥畲笠平糠謩e為154.26mm和97.15mm，巷道圍巖變形控制效果良好，確保了工作面安全生產(chǎn)。

【關(guān)鍵詞】 沿空掘巷;窄煤柱;數(shù)值模擬;支護(hù)設(shè)計(jì)

【中圖分類號(hào)】 TD32 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】 A 【文章編號(hào)】 2096-4102（2021）02-0015-02

本文基于前輩的研究成果，結(jié)合趙莊二號(hào)井2325綜采工作面地質(zhì)條件，采用理論計(jì)算和數(shù)值模擬相結(jié)合的研究方法，確定了沿空掘巷窄煤柱的合理寬度，提出了對(duì)應(yīng)的支護(hù)方案，有效控制了沿空掘巷圍巖變形，為類似工程條件工作面采用窄煤柱沿空掘巷技術(shù)提供了一定的借鑒。

1工程概況

趙莊二號(hào)井目前主采3#煤，煤層平均埋深204.15m;煤層厚度3.15～5.57m，平均4.36m;煤層傾角0～7°，平均2°。煤層賦存穩(wěn)定，全區(qū)可采。

2325綜采工作面北鄰2305工作面采空區(qū)，南部為實(shí)體煤，東靠采區(qū)保護(hù)煤柱，西鄰三條大巷，2325綜采工作面平面布置情況如圖1所示。

3#煤回采工作面留設(shè)了大量寬度為20～30m的區(qū)段煤柱，浪費(fèi)了大量寶貴煤炭資源。

2窄煤柱合理寬度理論計(jì)算

護(hù)巷煤柱寬度是影響沿空留巷圍巖穩(wěn)定性的關(guān)鍵因素。上一工作面采動(dòng)影響導(dǎo)致護(hù)巷煤柱一定寬度范圍內(nèi)塑性區(qū)發(fā)育，完整性降低。沿空巷道的掘進(jìn)和下一工作面回采所產(chǎn)生的擾動(dòng)使得護(hù)巷煤柱塑性區(qū)進(jìn)一步發(fā)育，完整性進(jìn)一步降低。若護(hù)巷煤柱寬度較小可能導(dǎo)致其自身的承載能力喪失，巷道支護(hù)失效，進(jìn)而導(dǎo)致沿空巷道變形過(guò)大而失穩(wěn)。根據(jù)極限平衡理論可知，護(hù)巷煤柱最小寬度應(yīng)不小于極限平衡條件下的煤柱寬度。因此，護(hù)巷煤柱寬度根據(jù)式（1）進(jìn)行計(jì)算：

式中：B為護(hù)巷煤柱最小寬度，m;x1為采空區(qū)側(cè)煤柱塑性區(qū)寬度，m;x2為煤柱側(cè)錨桿長(zhǎng)度，m;x3為煤柱彈性核區(qū)寬度，取（0.15～0.35）（x1+x2）。由2325綜采工作面具體情況知，x1為3.24m，x2為2.4m，x3為0.68～1.92m。綜合考慮經(jīng)濟(jì)和安全等因素，取x3為2m。因此，可計(jì)算得護(hù)巷煤柱最小寬度B為7.64m，故2325綜采工作面2107巷預(yù)留8m寬的護(hù)巷煤柱。

3窄煤柱寬度數(shù)值模擬分析

3.1模型建立

為進(jìn)一步確定2325綜采工作面2107巷預(yù)留護(hù)巷煤柱寬度的合理性，采用FLAC3D數(shù)值模擬軟件分別對(duì)寬度為5m、8m和11m時(shí)的護(hù)巷煤柱垂直應(yīng)力分布情況進(jìn)行模擬研究。2107巷為矩形斷面，斷面尺寸為5000×3300mm（寬×高）。所建數(shù)值計(jì)算模型尺寸為500×300×50m（長(zhǎng)×寬×高），數(shù)值計(jì)算采用摩爾-庫(kù)倫準(zhǔn)則，模型上邊界施加5.11MPa的均布載荷等效上覆巖層重力，模型左右、前后邊界固定法向位移，底部為固定邊界。2305工作面采空區(qū)采用一次性充填材料模擬垮落矸石。3#煤層及其頂?shù)装鍘r層物理力學(xué)參數(shù)如表1所示。

模擬方案：首先對(duì)2305工作面進(jìn)行開(kāi)挖，待2305工作面采空區(qū)穩(wěn)定以后，分別留設(shè)寬度為4m、6m、8m、10m和12m的護(hù)巷煤柱，對(duì)2325工作面2107巷進(jìn)行沿空掘巷，分別對(duì)不同護(hù)巷煤柱寬度時(shí)煤柱采空區(qū)側(cè)垂直應(yīng)力分布情況進(jìn)行分析。

3.2模擬結(jié)果與分析

不同寬度煤柱內(nèi)垂直應(yīng)力變化情況如圖2a所示。由圖2a可知，當(dāng)煤柱寬度為4m和6m時(shí)，煤柱內(nèi)垂直應(yīng)力呈“倒V”形分布。當(dāng)煤柱寬度為8m、10m、和12m時(shí)，煤柱內(nèi)垂直應(yīng)力呈“M”形分布。煤柱內(nèi)垂直應(yīng)力峰值隨煤柱寬度的增大而減小，表明隨著煤柱寬度的增加，煤柱內(nèi)彈性核區(qū)寬度不斷增大，即寬度較大的煤柱自支承能力越強(qiáng)。但當(dāng)煤柱寬度大于10m后，煤柱內(nèi)垂直應(yīng)力峰值無(wú)顯著變化。由此可知，煤柱寬度為8～10m時(shí)，煤柱內(nèi)垂直應(yīng)力分布較為合理，其自支承能力較強(qiáng)，有利于沿空巷道穩(wěn)定。不同寬度煤柱的煤柱幫位移量變化情況如圖2b所示。由圖2b可知，煤柱幫位移量隨煤柱寬度的增大而逐漸減小，且在煤柱寬度大于8m時(shí)煤柱幫位移量減小幅度較大，而在煤柱寬度小于8m時(shí)煤柱幫位移量減小幅度較小。綜上所述，并同時(shí)考慮經(jīng)濟(jì)和安全等因素，確定2107巷護(hù)巷煤柱寬度為8m。

4工業(yè)性試驗(yàn)

結(jié)合趙莊二號(hào)井實(shí)際生產(chǎn)情況和鄰近工作面支護(hù)情況，2325綜采工作面2107巷設(shè)計(jì)采用“錨網(wǎng)索”方案進(jìn)行支護(hù)。頂錨桿采用Φ20×2400mm的高強(qiáng)度左旋無(wú)縱筋螺紋鋼錨桿，每排布置6根，間排距為800×1000mm，靠近巷幫的錨桿距巷幫500mm，所有頂錨桿均垂直頂板布置，錨固劑采用K2335和Z2396樹(shù)脂錨固劑各一支。頂錨索采用SKP22-1/1720-5400高強(qiáng)度低松弛預(yù)應(yīng)力鋼絞線，采用“二〇二”的布置形式，間排距為2000×2400mm，錨固劑采用一支K2335和兩支Z2396樹(shù)脂錨固劑。幫錨桿采用Φ20×2400mm的玻璃鋼錨桿，間排距為800×1000mm，兩肩窩和兩底角錨桿分別向上和向下傾斜25°布置，錨固劑采用K2335和Z2396樹(shù)脂錨固劑各一支。2107巷支護(hù)情況如圖3所示。

趙莊二號(hào)井2325綜采工作面2107巷與2305工作面采空區(qū)間留設(shè)8m寬的護(hù)巷煤柱，并采用上述“錨網(wǎng)索”支護(hù)方案進(jìn)行支護(hù)。在巷道掘進(jìn)過(guò)程中，采用十字布點(diǎn)法對(duì)巷道表面位移量進(jìn)行監(jiān)測(cè)，結(jié)果表明：巷道掘進(jìn)100m范圍內(nèi)，頂?shù)装遄畲笠平亢蛢蓭妥畲笠平糠謩e為154.26mm和97.15mm，巷道圍巖變形量較小，圍巖變形控制效果良好。證明通過(guò)留設(shè)8m寬的護(hù)巷煤柱并采取相應(yīng)的支護(hù)措施后，能夠有效控制2107巷圍巖變形，為2325工作面安全生產(chǎn)奠定了基礎(chǔ)。

5結(jié)語(yǔ)

為提高趙莊二號(hào)井2325綜采工作面煤炭回采率，設(shè)計(jì)采用留窄煤柱沿空掘巷技術(shù)施工2107巷。根據(jù)3#煤層實(shí)際地質(zhì)條件，通過(guò)理論計(jì)算和數(shù)值模擬分析確定窄煤柱的合理寬度為8m，并提出了“錨網(wǎng)索”支護(hù)方案。現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)結(jié)果表明：2107巷頂?shù)装搴蛢蓭妥畲笠平糠謩e為154.26mm和97.15mm，巷道圍巖變形控制效果良好，確保了2325工作面的安全生產(chǎn)。

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