不規則殘采區沿空巷道煤柱留設與支護探討

常少鋒

（山西蘭花科技創業股份有限公司大陽煤礦分公司，山西 晉城 048000）

大陽煤礦萬里井大巷保護煤柱存在一個不規則小窯破壞區，在該區域采取小煤柱沿空掘巷的方式施工，不僅盡可能多地采集礦井中的煤炭資源，還能保障礦井的安全性，為工作人員提供安全且穩定的工作環境。

1 工程概況

工作面回采3#煤層，煤層結構簡單、分布穩定，其厚度為6 m 左右，埋深深度均為200 m，煤層的硬度系數f=2～3，為中硬煤層。由于該工作面存在不規則小窯破壞區，煤柱工作面采掘情況如圖1 所示，在矩形ABCD 范圍內，可分為不規則小窯破壞區和規則的采空區，從AB 線朝向DC 線進行掘進。在該工作面范圍內，因受到矩形ABCD 中的兩區的影響，因此掘進過程中必須充分考慮應力異常等不利因素。

圖1 采掘工程

工作面周圍存在的不規則采空區，可分為三種區域，根據采空區邊界的不確定性進行劃分，不規則采空區的邊界有許多尖點，因此在不規則采空區使實煤體的支承應力的方向發生變化，存在應力疊加現象，造成整個巷道的應力不是以單一狀態分布。

2 煤柱寬度分析

2.1 分析方法

由于超前支撐壓力的影響以及相鄰工作面采動影響，目前可采用以下三種方法確定煤柱的寬度：

（1）理論計算法。以彈性力學為基礎，簡化模型的計算，在巷道圍巖穩定性為基礎的前提下，通過提高圍巖的支護效果，盡可能地減小留設的煤柱寬度，既保證安全，又可以提高經濟效益，最終可確立煤柱寬度B 的計算公式。

（2）數值模擬法。利用數值模擬來分析在哪一種煤柱尺寸下圍巖相對比較穩定，進而合理地選取煤柱寬度。

（3）工程類比法。由于現場復雜的地質情況，圍巖的力學性質存在非均質性，因此理論計算和數值模擬都無法準確地實現留設煤柱寬度的計算，但是根據以往類似地質條件礦井所積累的現場經驗選取煤柱的留設寬度。

通過比較三種方法的優缺點，在實際生產中，通常要結合這三種方法來確定煤柱的合理留設尺寸。

（一）總的來說，調查對象對黨建工作比較滿意，評價較高。尤其是對黨政聯席會議制度、黨員發揮先鋒模范作用、黨風廉政建設責任體系和黨對共青團的領導這4個指標非常滿意。但是，調查對象大多認為還是存在以權謀私現象、漠視和侵害師生員工利益的現象，并且對校園精神文明創建工作，還達不到預期。值得注意的是，人們認為黨風廉政建設責任體系很完善或是比較完善，可是又認為有以權謀私現象、漠視和侵害師生員工利益的現象存在（有但不多）。這表明制度還沒有完全落到實處，貫徹執行的力度不夠。

2.2 模擬分析

煤柱相鄰采空區的邊界存在不規則的現象，若想確保沿空巷道的位置安全合理，必須全面分析巷道的應力分布情況。煤柱巷道所處的地質情況如圖2 所示，利于研究煤柱工作面形成不規則采空區的條件，了解煤柱支承壓力大小及其分布情況，也能全面了解煤體的狀態。由于工作面的煤柱寬度必須根據實際巷道的情況以及煤層條件決定，同時在兩側進行挖掘不會影響煤柱深部的支承應力疊加，因此需建立數值模型了解其疊加情況。

圖2 數值計算模型

以大陽煤礦萬里井大巷煤柱地質條件作為案例進行分析，利用FLAC3D數值模擬軟件構建相應的三維模型，并考慮巖層巖性，最終將模型分為六層。模型的大小實際比例縮小至240 m×80 m×64 m。模型的邊界需根據實際應力情況對其施加相同的應力，形成應力邊界，設置側壓系數值為1。將模型的X、Y 軸方向的四個邊界進行固定，將Z 軸方向作為下部邊界。最終得出的數值模型和邊界情況如圖2 所示，將采空區分為1、2、3。

取模型的某個平面作為煤層的塑性區域進行分析，其平面如圖3 所示。由于回采作業，會導致采空區的邊界出現塑性破壞現象，都處于采空區的外側。由圖3 可知，在塑性區的外側存在剪切破壞區，寬度為6～7 m，在采空區煤幫側則存在張拉剪切混合破壞區，其寬度為1～3 m，因此在采空區內部和外部都存在大范圍的破壞區域。此外，采空區尖點周圍也存在塑性破壞區域，主要分布于其兩側。因此根據圖3 決定巷道的位置，必須考慮不規則采空區張拉剪切破壞區域以及塑性破壞區域的影響，避免挖掘到破碎的巖石，影響工程的安全。

圖3 煤柱工作面塑性區分布

為驗證沿空掘巷過程中不同寬度煤柱的影響，本次模擬試驗分別模擬了3 m、4 m、5 m、6 m、7 m、8 m、9 m 和10 m 寬度的煤柱，并詳細記錄巷道頂底板和圍巖的變形現象，最終繪制成點線如圖4 所示。

圖4 不同煤柱寬度沿空掘巷圍巖變形量

由圖4（a）中曲線的走向可知，沿空掘巷過程中采用的煤柱寬度越寬，巷道兩幫就更加穩定。若采用3 m 寬的煤柱，巷道兩幫的變形量最大，隨著寬度的增加，其變形量逐漸降低，但減小的幅度也逐漸變小，6 m、7 m、8 m、9 m、10 m 寬的煤柱的變形量占3 m 寬煤柱的變形量比例分別為37.2%、34.8%、30.2%、25.5%和23.2%。

由圖4（b）可知，煤柱的寬度不影響頂底板變形量的發展趨勢，煤柱寬度小于6 m，圍巖頂板變形量相比6 m 以上的煤柱寬度變形量大得多，因此在設計沿空掘巷煤柱尺寸時，盡量選擇6～10 m的寬度，可顯著減少巷道兩幫和圍巖頂板的變形量，同時，煤柱過大會減少煤炭的采出量，影響煤炭資源回收率。綜合考慮最終選用8 m 寬的煤柱。

3 巷道支護分析

采用錨桿（索）技術，可以提高巖體的整體支護強度，在巷道圍巖和錨桿形成共同的支護體系下，使得圍巖內的錨固部分的應力峰值提高，進而使得它可以控制變形，使得錨固部分承受的壓力降低，保證了巷道在回采時所產生的大變形，確保了巷道的穩定和安全。

錨固體中錨桿軸向作用機理分析其作用主要表現在，在軸向上錨桿和圍巖形成了共同的作用體- 錨固體，并且使得共同作用體的峰值強度、殘余強度及其他力學性能都有所提高。錨固體中錨桿橫向作用機理上看，錨桿貫穿節理弱面，促使圍巖與錨桿形成了整體錨固，進而使得錨固煤巖體內的變形受到一定的約束，導致煤巖體不能沿著節理弱面滑動； 錨桿起作用后增加了錨固端周圍裂隙弱面的法向作用力。

1）采用高強度錨桿支護。錨桿主要是通過在軸向上施加應力，從而提升錨固體強度以及通過錨桿使得各部分分裂巖體重新整合為一個整體，加強了其整體部分的強度，進而達到進一步改善此區域的力學性質。

2）增大錨桿（索）預緊力。巷道掘進初期，圍巖裂隙發育，淺部圍巖出現破碎區和塑性區，通過作用施加足夠預緊力的錨桿，降低圍巖應力擴散過程中對圍巖的破壞效果，遏制破碎區以及屈服區的持續演化。錨桿預緊力為100～300 N·m 時的預應力場分布情況如圖5 所示，當錨桿預緊力較小時，其錨桿主要在底部以及靠近托盤部分形成應力集中區。隨著錨桿預緊力的增大，其應力集中部分保持不變，但其擴散范圍較大，呈“葫蘆”型。當錨桿預緊力增加到最大時，錨桿之間所形成的預緊力場間相互迭加，進而形成了特定范圍區域的壓應力區，達到類似承壓拱的結構發揮作用。綜上所述，可得錨桿扭矩選擇為300 N·m 為最佳。

圖5 不同預緊力下巷道圍巖的應力分布

3）增強護表能力。應力環境的改變，使得巷道圍巖發生變形，促使發生冒頂以及巖石滑落等安全事故。如圖6 所示，通過錨桿在破碎以及變形的圍巖內部的貫通，使得圍巖形成整體完整穩定結構，加強圍巖的承載抗壓能力。但為了充分發揮圍巖穩定作用，需借助其他工具與錨桿配合使用，即托板、鋼帶、金屬網等。這些配件對于巷道圍巖的穩定主要發揮以下作用： ①借助螺母傳遞預緊力發揮作用，再次借助托板以及鋼帶等構件，進一步加大穩定區域；②圍巖在采動影響下，其內部的荷載作用通過上述構件所形成的支護結構聯合體上，達到載荷均布分布，減弱了單一構件的承壓作用。

圖6 煤柱幫一側的應力分布

錨桿及其配件所形成的支護聯合體，一方面發揮了防治巷道圍巖表面松動塊體的垮落，另一方面，增加了對巷道深部圍巖的承載抗壓作用，使得巷道深部圍巖不易發生松動、破碎現象。

4 應用分析

以大陽礦3306 工作面運輸順槽為工程實例，該巷道原支護以錨桿索支護為主，頂板受上區段工作面側向支承壓力影響，頂板較為破碎，易產生漏頂、冒頂等事故。優化3306 工作面運輸順槽（補強）支護方案如圖7 所示，采用矩形斷面錨網支護的形式，錨桿之間排距為1 000 mm；巷道頂板采用5 000 mm 長M5 鋼帶，5 600 mm×1 200 mm 長的10#鍍鋅鐵絲編制的菱形金屬網和6 根等強錨桿支護，錨索或錨桿之間的間排距為1 000 mm×1 000 mm，設計錨索尺寸為φ22×6 200 mm；巷道兩幫均采用兩根1 700 mm 長的M3 型鋼帶壓茬使用，3 500 mm×1 200 mm 長的10#菱形金屬網搭接和5 根等強錨桿支護； 金屬網與金屬網之間搭接不小于100 mm，扎絲單股長度400 mm，折合雙股長為200 mm，扎絲頭齊，至少扭三圈，扭成花的扎絲頭全部彎曲向里（內）。

圖7 采區工作面運輸順槽支護正視

如圖8 所示，巷道掘進期間，隨著監測天數的增長，頂底板和兩幫變形量整體呈增加的趨勢，最大移近量分別為125 mm 和238 mm，此后巷道表面位移量不再發生變化并逐漸穩定。

圖8 掘進期間1 號綜合點巷道表面變形

如圖9 所示，在3306 工作面回采期間，在監測一個月后，頂底板、兩幫移近量分別為325 mm和485 mm，在3306 工作面回采過程中巷道兩幫的移近量要高于頂底板移近量。

圖9 回采期間1 號綜合點巷道表面變形量

5 結語

針對大陽煤礦3306 工作面沿空巷道煤柱尺寸留設，綜合理論計算與數值模擬結果，最終選用8 m 寬的煤柱。該巷道擬采用優化（補強）支護，即采用“長錨索+單體柱+金屬網+錨 栓+U 型鋼”聯合支護技術，在距離工作面后方30～60 m 范圍內進行施工；礦壓觀測表明，沿空留巷兩幫和頂底板最大移近量分別為558 mm 和485 mm，且留巷內未出現錨桿索拉斷、錨固失效、單體柱壓彎和巷旁充填體嚴重破壞等現象，巷道圍巖變形控制效果較好； 該支護方案有效控制了沿空留巷圍巖的變形，同時驗證了支護的合理性與有效性。