山西某礦窄煤柱沿空掘巷技術研究與應用

徐凱

（太原正越工程設計有限公司 山西 太原 030000）

0 引言

隨著煤礦機械化、智能化水平的不斷提高，礦井生產能力和生產效率顯著提升，導致采掘接替緊張現象普遍存在于多數礦井中[1-2]。窄煤柱沿空掘巷作為一種可有效提高工作面煤炭資源回采率巷道施工技術，在我國各大礦區得以廣泛應用[3]。但護巷煤柱寬度直接決定了沿空留巷成功與否。護巷煤柱寬度過大會致使大量寶貴煤炭資源滯留井下，且易產生應力集中；煤柱寬度過小則會增大巷道圍巖控制難度，增大巷道維護成本[4]。對此，薛永軍采用理論分析和現場實測的方式確定了正利煤礦14-1105工作面回采巷道護巷煤柱合理寬度為6 m[5]。為類似條件工作面沿空掘巷護巷窄煤柱合理寬度的確定提供一定的參考。

1 工程概況

山西某礦位于山西境內，設計產能為45 萬t/年。可采煤層為K3和K9煤，其中K3煤平均厚度1 m，平均傾角10.5°；K9 煤平均厚度為1.43 m，平均傾角10.5°；K3 和K9 煤均為全區穩定可采煤層。上一21904 工作面位于K9煤+1 450 m水平上山一采區，采用走向長壁式采煤，一次采全高，全部垮落法管理頂板。上一21904 工作面煤層直接頂為粉砂質泥巖，厚度為2.06 m；老頂為細中砂巖，平均厚度為6.12 m；直接底為泥質粉砂巖，平均厚度為0.87 m；老底為中粒砂巖，平均厚度為10.52 m。上一21904工作面南鄰上一21906工作面采空區，北為上一21902工作面（設計），西為井田邊界，東為采區大巷，工作面具體布置情況如圖1 所示。上一21904回風巷沿K9煤頂板掘進，采用梯形頂板傾斜斷面。上一21906工作面已于2021年4月回采完畢，目前礦井僅剩東翼21903 回采工作面正在回采。該礦以往區段煤柱留設寬度多為35 m，不僅導致大量寶貴煤炭資源永久滯留井下，降低了工作面回采率，還導致回采巷道布置在應力升高區內，巷道變形較大，增大了巷道維護成本。為了提高工作面煤炭資源回采率，決定對上一21904 回風巷采用沿空掘巷技術進行施工。

圖1 工作面布置圖

2 煤柱合理寬度數值模擬研究

2.1 模型建立

為驗證煤柱寬度理論計算結果的合理性，根據上一21904 工作面實際工程地質條件，采用FLAC3D數值模擬軟件分別對寬度為3 m、4 m、5 m、6 m 和7 m 時煤柱內垂直應力分布情況進行模擬研究。數值模型尺寸為180 m×80 m×50 m（長×寬×高），采用摩爾-庫倫計算準則，雙屈服模型模擬采空區，模型四周限制水平方向位移，模型下部限制垂直方向位移，在模型上部施加7.25 MPa 的均布載荷以等效上覆巖層重力，煤巖層力學參數見表1。

表1 煤巖層物理力學參數

2.2 數值模擬結果與分析

不同煤柱寬度煤柱內垂直應力分布特征見圖2。

圖2 不同煤柱寬度下煤柱內垂直應力分布曲線

由圖2可知，隨煤柱寬度的增大，煤柱內垂直應力逐漸由對稱型分布轉變為偏載型分布，即寬度較大的煤柱內垂直應力易向采空區側偏移，導致采空區側煤柱幫更易因應力集中而發生較大變形。此外，當煤柱寬度由3 m 增大至5 m 時，煤柱內垂直應力峰值由16.99 MPa 劇增至37.86 MPa，增幅達到122.84%；而當煤柱寬度由5 m增大至7 m時，煤柱內垂直應力峰值則由37.86 MPa 增至38.85 MPa，增幅僅為2.62%。由此可見，當煤柱寬度小于5 m時，煤柱尚不具有足夠的承載能力，從而表現出煤柱內垂直應力峰值隨其寬度的增大而劇增的現象；而當煤柱寬度增大至5 m時，煤柱內垂直應力基本呈對稱分布，且隨煤柱寬度的增大煤柱內垂直應力峰值無顯著增加，表明寬度為5 m 的煤柱已具有足夠的承載能力，其內部具有一定寬度的彈性核區（有效承載區）。綜合考慮到煤柱承載能力和煤炭資源回采率，確定護巷窄煤柱的合理寬度為5 m。相較于留設20 m 寬的區段煤柱，21904 工作面可多回采煤炭約112萬t，可提高經濟效益約5億元。

3 工業性試驗

3.1 巷道支護設計

由數值模擬結果可知，上一21904 回風巷在與上一21906 工作面采空區間留設寬度為5m 的護巷窄煤柱后進行沿空掘巷。雖然上一21904 回風巷沿K9 煤頂板巖層掘進，但21904 回風巷屬于受一次采動影響巷道，采空區側巷幫相較于煤壁側巷幫更易發生變形，因此在基于21906 工作面回采巷道支護設計的基礎上，提出對上一21904回風巷進行非對稱支護，支護設計斷面如圖3所示，具體支護參數如下：

圖3 巷道支護斷面圖

（1）頂板支護：上一21904 回風巷頂板采用?18×1 700 mm 螺紋鋼錨桿，間排距為700 mm×700 mm，所有頂板錨桿均垂直于巷道頂板布置，并配套使用規格為100×100×10 mm正方形碗狀鋼托盤和長×寬為3 200 mm×800 mm 的菱形金屬網。頂板錨索采用?17.8×5 400 mm 的 1×7 股鋼絞線，間排距為 1 400 mm×1 400 mm，兩錨索對稱于巷道中心線布置，距巷道中心線距離為700 mm，配套使 用150×150×15 mm 的蝶形鋼板托盤。

（2）巷幫支護：采空區側巷幫采用?18×1 700 mm螺紋鋼錨桿，煤壁側巷幫采用?18×1 700 mm 玻璃鋼錨桿，間排距均為700 mm×700 mm，并配套使用規格為100×100×10 mm 正方形碗狀鋼托盤和長×寬為2 400 mm×800 mm的菱形金屬網。

3.2 巷道圍巖變形觀測與分析

為了掌握上一21904 回風巷留設5 m 寬護巷窄煤柱進行沿空掘巷的效果，在巷道施工過程中，在巷道內每50 m布置一個巷道表面移近量觀測站，測站位置設置一個觀測斷面，觀測斷面設4 個檢測點，即頂板、底板及兩幫各設一個；測點布置后，每天對巷道表面移近量觀測一次，觀測結果見圖4。

由圖4 可知，巷道圍巖相對移近量隨觀測時間呈現出先快速增長后趨于穩定的變化趨勢，即在0 d～22 d時，巷道頂底板和兩幫相對移近量均快速增大，而在22 d 以后，巷道頂底板和兩幫相對移近量均無顯著變化。由此可知，在巷道掘進22 d范圍內，巷道掘進所產生的擾動打破了巷道圍巖的應力平衡狀態，在此期間巷道圍巖發生變形以形成新的應力平衡狀態。而在巷道掘進22 d以后，巷道圍巖新的應力平衡狀態已經形成，巷道圍巖變形趨于穩定。此外，在巷道掘進60 d范圍內，巷道頂底板和兩幫相對移近量最大值分別為77.89 mm和117.87 mm，變形量均在設計允許范圍內，表明留設寬度為5 m 的護巷窄煤柱并進行支護后，巷道圍巖變形控制效果較好，為巷道穩定和工作面安全生產提供了保障。

圖4 巷道圍巖相對移近量曲線

4 結語

（1）結合山西某礦上一21904 工作面實際生產地質條件，采用FLAC3D數值模擬軟件，對比分析了煤柱寬度為3 m、4 m、5 m、6 m和7 m時，煤柱內垂直應力的分布特征，確定了護巷窄煤柱合理寬度為5 m。相較于留設20 m 寬的區段煤柱，21904 工作面可多回采煤炭約112萬t，可提高經濟效益約5億元。

（2）參考上一21906工作面回采巷道支護參數，并考慮上一21904 回風巷受采動影響的變形特征，進行了具體支護設計，現場應用結果表明：巷道頂底板和兩幫相對移近量最大值分別為77.89 mm 和117.87 mm，巷道圍巖變形控制效果良好。