孤島工作面護巷煤柱寬度及支護技術研究

李潞斌，何 杰

(1.山西潞安礦業集團 潞寧煤業有限責任公司，山西 寧武 036700;2.天地科技股份有限公司開采設計事業部，北京 100013)

潞寧煤業主采煤層頂板屬于堅硬頂板，淺部巷道維護容易。隨著開采深度的增加，采空區范圍的擴大及采掘銜接緊張造成的強烈動壓巷道的出現，巷道維護困難，尤其是孤島工作面沿空掘巷，煤柱寬度和支護技術成為影響巷道控制的關鍵因素，國內外對此有不少研究［1－3］。

本文針對22109 運輸巷圍巖環境，對該條件下護巷煤柱及支護方式做進一步研究，探尋較合適的圍巖控制技術。

1 工程概況

22109 運輸巷埋深約260m，沿2 號煤底板掘進，長1300m，寬4.5m，高3.4m;22109 工作面上鄰22107 采空區(2008年4 月回采完畢)，下鄰22111 采空區(2010年8 月回采完畢)，22109 工作面屬于孤島工作面，受兩側未穩定采空區動壓影響，22109 運輸巷于2011年6 月開始掘進。礦方提供地質資料顯示，2 號煤平均厚4.9m，傾角平均13°。井下地應力測量結果顯示，最大水平主應力為14MPa，方向為N3.9 °W;最小水平主應力為8.74MPa;垂直主應力為9.45MPa。22109 運輸巷頂底板圍巖狀況如圖1。

圖1 22109 運輸巷頂底板圍巖狀況

2 煤柱尺寸的確定

沿空掘巷采用錨桿支護，確定合理的小煤柱寬度應遵循以下幾個原則:錨桿可施工原則;處于應力降低區原則;保證錨桿錨固效果原則;預留巷道變形原則;提高煤炭采出率原則。

2.1 理論計算

沿空掘巷條件下煤柱尺寸對巷道支護效果有很大影響，合理的煤柱寬度既能保持巷道穩定，又能減少區段煤柱損失。依據煤巷兩幫煤體應力和極限平衡理論［4］，計算出合理的最小護巷煤柱寬度B:

依據礦方提供的資料，式中，22111 回風巷高m 為3.6m;泊松比取0.3;A 為側壓系數，取0.43;φ0為煤體內摩擦角，30°;C0為煤體黏聚力，0.8MPa;H 為巷道埋藏平均深度，260m;γ為巖層平均體積力，2.5g/cm3;P0為22111 回風巷下幫支護阻力，0.124MPa;L 為錨桿錨入煤柱的深度，2.4m;k 為應力集中系數，取2.5;最終可得小煤柱寬度為6.38～7.48m。

2.2 數值模擬分析

為了全面、系統地了解不同尺寸煤柱的變形特征，采用大型有限差分數值計算軟件FLAC3.3(三維)進行了模擬。依據22109 運輸巷實際工程地質狀況進行建模，分別模擬保護煤柱寬度為5m，10m，15m，20m 和25m，相鄰22111 工作面回采完畢后開挖22109 運輸巷圍巖應力分布和變形情況。其中巷道采用普通錨網支護，錨桿直徑為20mm，鋼號335 號，采用直徑14mm 鋼筋托梁和金屬網護表，錨索材料為直徑18.9mm，長6300mm，延伸率4%。頂和幫錨桿間距1000mm 和900mm，排距為1000mm，每兩排錨桿打2 根錨索。

由于篇幅所限，此處只列舉煤柱10m 下開挖穩定后巷道圍巖應力和變形狀況，應力和位移分布狀況如圖2 所示，不同煤柱尺寸下圍巖應力和位移變化如圖3 和圖4 所示。

22111 工作面回采后，應力集中在煤柱內3～8m 的范圍內，由圖2 至圖4 可知，煤柱寬度為5m時，圍巖應力集中明顯，巷道位移量大，塑性區分布廣，隨著煤柱寬度的不斷增加，圍巖應力、位移在減小，當煤柱寬度增加到10m 時，圍巖應力和變形增幅不大，表明煤柱寬度大于10m 后應力和位移量相差甚小，采空區對22109 運輸巷影響很小。根據數值模擬結果分析，結合理論計算結果，考慮到22109 運輸巷靠煤柱側硐室的影響，確定護巷煤柱寬度為10m 較合理。

圖2 煤柱尺寸為10m 條件下圍巖應力和位移狀況

圖3 不同煤柱尺寸下圍巖應力變化曲線

圖4 不同煤柱尺寸下圍巖位移變化曲線

3 支護對策分析

依據不同煤柱尺寸下圍巖應力和位移分析結果，基于高應力強力支護技術［5－7］，結合該類巷道支護實踐經驗，分析該類條件下巷道支護對策。

(1) 重視孤島工作面動壓影響 孤島工作面受兩側采空區的強烈動壓影響圍巖應力集中明顯，易造成圍巖大變形［8－9］，為避免巷道破壞重修，首先要提高支護強度，將錨桿直徑由20mm 增加到22mm，錨索直徑由15.24mm 增加到18.9mm。

(2) 提高支護系統預應力 較高錨桿(索)預緊力是控制圍巖變形關鍵，該礦煤巖體強度高，錨桿(索)施加預緊力低，將錨桿預緊力矩由200N·m 提高到300N·m，錨索預緊力由150kN提高到250kN。

(3) 不對稱支護 由圖2 和圖3 可知，巷道采空側幫應力集中程度和變形量遠大于實體煤側，采空側幫圍巖破碎，支護難度大，為支護的關鍵部位，增加護表措施。

4 支護方案

針對22109 運輸巷圍巖環境，依據支護對策分析，結合高預應力支護技術，提出采用加長錨固高預應力錨桿錨索支護系統，并確定了支護參數。

錨桿桿體直徑為φ22mm 左旋無縱筋螺紋鋼筋，鋼號335 號，長2400mm，鋼筋托梁直徑14mm，寬80mm，頂板和煤柱側幫長為4200mm 和2900mm;采用機制金屬網護頂，網孔規格50mm×50mm，頂網4900mm×1100mm，幫網5000mm×1100mm;錨索為直徑18.9mm，長6300mm，延伸率4%。頂和幫錨桿間排距為1000mm×1000mm 和900mm×1000mm，每兩排錨桿打2 根錨索，間排距2000mm×2000mm。錨桿預緊力矩不低于300N·m，禁止大于500 N·m。錨索初次張拉預應力損失完成后大于200kN，錨桿(索)全部垂直煤巖體布置。錨桿錨索支護布置如圖5 所示。

圖5 22109 運輸巷錨桿錨索支護

5 支護效果

掘進期間監測結果如圖6 所示。井下實施支護方案后，巷道整體變形小，尤其是底板基本未發生變形，兩幫最大移近量達到60mm，其中采空側幫變形量最大為44mm;頂底板移近量31mm，巷道以淺部離層為主，離層量為20mm，圍巖變形主要發生在巷道掘進的初期階段。錨桿錨索受力變化趨勢同表面位移，在巷道開挖初期，錨桿錨索受力增幅最大，巷道掘進100m 左右達到穩定，其中采空區側幫錨桿受力較大，最大達到120kN，錨索平均受力260kN，錨桿錨索受力穩定。綜合分析可知，22109 運輸巷整體變形量小，巷道較穩定。

圖6 表面位移和離層變化曲線

22109 工作面回采期間采空側幫移近量最大為176mm，實體煤側幫移近量為93mm，頂板最大下沉量為45mm，基本沒有底鼓，錨索受力最大達到312kN，錨桿最大受力158kN，巷道整體穩定，滿足生產和安全需求。

6 結論

(1)22109 工作面屬于孤島工作面，22109 運輸巷受22111 未穩定采空區影響，加上沿煤層底板掘進，留有頂煤，煤巖體破碎，巷道維護困難。

(2)通過理論計算，確定了最小護巷煤柱寬度，模擬研究了不同煤柱尺寸下圍巖變形和受力變化規律，結合工程實踐經驗，最終確定22109 運輸巷護巷煤柱寬度為10m 較合理。

(3)分析了22109 運輸巷支護對策，提出采用高預應力錨桿錨索支護組合系統，成功解決了孤島工作面沿空掘巷支護難題，保證了巷道的穩定。

［1］鄭百生，謝文兵，竇林名，等.近距離孤島工作面動壓影響巷道圍巖控制［J］.中國礦業大學學報，2006，35 (4):483－487.

［2］高 浩，崔廷鋒，張 魁，等.留小煤柱沿空掘巷技術［J］.煤礦安全，2012，43 (4):106－108.

［3］趙國貞，馬占國，馬繼剛，等.復雜條件下小煤柱動壓巷道變形控制研究［J］.中國煤炭，2011，37 (3):52－56.

［4］康紅普，王金華.煤巷錨桿支護理論與成套技術［M］.北京:煤炭工業出版社，2007.

［5］侯朝炯，郭勵生，勾攀峰.煤巷錨桿支護［M］.徐州:中國礦業大學出版社，1999.

［6］林 健，趙英利，吳擁政，等.松軟破碎煤體小煤柱護巷高預緊力強力錨桿錨索支護研究與應用［J］.煤礦開采，2007，12 (3):47－50.

［7］康紅普，王金華，林 健.高預應力強力支護系統及其在深部巷道中的應用［J］.煤炭學報，2007，32 (12):1233－1238.

［8］王金海.孤島煤柱工作面巷道掘進支護［J］.煤炭工程，2011，32 (2):26－27.

［9］劉小峰.小煤柱動壓掘進巷道控制技術研究［J］.煤礦開采，2011，16 (1):64－66.