錢營孜礦沿空掘巷窄煤柱留設及支護方案設計研究

李齊文,趙桃園,劉　宇（.皖北煤電集團錢營孜煤礦,安徽　宿州　34000；.中國礦業大學,江蘇　徐州　000）

錢營孜礦沿空掘巷窄煤柱留設及支護方案設計研究

李齊文1,趙桃園1,劉宇2
（1.皖北煤電集團錢營孜煤礦,安徽宿州234000；2.中國礦業大學,江蘇徐州221000）

摘要:沿空掘巷能夠提高煤炭采出率,減少資源浪費,因而被我國煤礦廣泛采用。本文以錢營孜礦W3226工作面機巷為研究對象,通過理論分析、數值模擬并結合現場條件確定了該沿空巷道的煤柱寬度和支護方案,最后在現場進行了工程實踐，取得了良好的經濟技術效果，研究結果對本礦后續工作面沿空掘巷具有重要指導意義。

關鍵詞：沿空掘巷；數值模擬；圍巖控制；工程實踐

1　工程概況

錢營孜礦W3226工作面為西二采區第二個工作面,該工作面機巷擬采用沿空掘巷技術。巷道斷面采用矩形，其寬高4.8m×3m。巷道平均埋深540m，所在煤層平均煤厚3.57m，煤層平均傾角12，頂底板巖性以泥巖為主，次為粉砂巖和細砂巖。

2　沿空掘巷圍巖結構分析

沿空掘巷是在上區段采空區頂板活動穩定后沿采空區邊緣通過留設窄煤柱掘進巷道，研究表明在工作面回采過后其上覆老頂呈“O-X”形式破斷，在工作面端頭處破斷的老頂巖塊B在煤體和采空區矸石的支承作用下與未破斷的老頂巖塊A及采空區已斷裂的巖塊C相互鉸接形成“弧形三角塊”大結構，沿空巷道就是從該大結構下掘進的。

上工作面回采過后在兩側實體煤處形成應力降低區、應力增高區和原巖應力區，沿空掘巷就是在弧形三角塊大結構形成的應力降低區掘進的。沿空巷道的直接頂、底板、窄煤柱以及實體煤幫形成了巷道圍巖小結構。巷道掘進不會對大結構造成影響，但巷道圍巖小結構在應力作用下會不斷發生蠕變，因而沿空掘巷的關鍵就在于保持巷道圍巖小結構的穩定。

3　窄煤柱寬度設計

沿空掘巷中窄煤柱的寬度至關重要,窄煤柱過寬會使巷道處于側向支承應力峰值下部,造成巷道變形過大,窄煤柱過窄必然造成破碎區過多不利于窄煤柱的穩定。合理的煤柱寬度既有利于巷道圍巖控制又不會對安全生產造成影響。本次以理論計算為基礎，通過數值模擬并結合工程實踐最終確定窄煤柱的合理寬度。

（1）理論計算。根據極限平衡理論,窄煤柱寬度B可以按下述公式計算。

式中：x1—上區段工作面開采引起的破碎區寬度；

x2—窄煤柱幫錨桿有效長度，暫取為2.50m；

x3—煤柱穩定性系數，取0.2（x1+x2）；

代入相關數據的得出窄煤柱合理寬度為B=5.5m

（2）數值模擬。模擬采用FLAC3D軟件，以錢營孜礦W3226工作面機巷為模擬對象，所用煤巖物理力學參數如表1所示。模型左右兩邊界和底邊界固定，上邊界自由，長、寬、高為300m×200m×200m,共劃分10700個網格。

模擬方案以理論計算為基礎，不同方案下煤柱寬度分別為4m、5 m、6m、7m，模擬過程中先將工作面開挖，待其運算穩定后再開挖巷道，通過觀察圍巖應力和塑性區分布來確定窄煤柱合理寬度。

表1　煤巖物理力學參數

經模擬結果得出，隨著煤柱寬度的增加，巷道塑性區逐漸減小，其中4m、5m時窄煤柱塑性區較多，圍巖變形較大,不利于巷道圍巖小結構的穩定；6m、7m時煤柱有一定的彈性區，圍巖變形較小,窄煤柱易于保持穩定，但留7m煤柱時候煤柱應力集中過大，巷道處于高應力狀態下，其后期變形會過大，綜合考慮確定采用6m寬煤柱較為合理,與理論計算基本吻合。

4　圍巖控制方案及工程實踐

（1）圍巖控制方案。在留設合理寬度窄煤柱的基礎上圍巖控制方案就顯得尤為重要,由于受上區段回采和掘巷擾動影響，沿空巷道圍巖破碎區較大,掘后圍巖長期發生蠕變,后期還要受本工作面回采影響,巷道圍巖變形大,支護方案必須既能夠控制又能夠適應巷道圍巖變形。

高強度錨桿支護能夠阻止圍巖裂隙的發展，提高圍巖承載能力，同時可實現高阻讓壓以適應圍巖變形。在錨桿支護的基礎上采用小孔徑預應力錨索補強支護，可形成以錨索為骨架，以錨桿為基礎的圍巖壓應力場，顯著提高圍巖的整體性和承載能力，基于此原則提出如下支護方案：頂板采用Ф22×2400mm的左旋無縱筋螺紋鋼錨桿，實體煤幫采用Ф20×2400mm的右旋全螺紋鋼錨桿，間排距800mm×800 mm；窄煤柱幫布置5根Ф20×2500mm的右旋全螺紋鋼錨桿，間排距700mm×800mm；每根錨桿配套2卷Z2370型中速樹脂藥卷加長錨固，頂板兩幫均配套使用KTM型鋼帶進行聯合支護。

補強支護：頂板中每隔2排錨桿布置一排錨索（即排距為1.6m），間距為2.4m，采用五花型布置。錨索規格為Φ17.8×6500mm，預緊力為100kN。

（2）工程實踐。錢營孜礦按照6m寬窄煤柱和上述支護方案掘進W3226機巷，掘進及本工作面回采過程對其表面位移進行監測，監測結果表明巷道變形主要以兩幫移近為主，巷道在掘后一個月內圍巖變形速度較大，最大速度達15mm/d，一個月后巷道圍巖變形速度較小，圍巖處于蠕變狀態。在本工作面回采期間，隨著測站距離工作面越來越近巷道變形速度逐漸增大，回采影響范圍為30m，掘巷及回采期間巷道兩幫累計移近量180mm，頂底板累計移近量70mm，圍巖變形處于可控范圍內，不影響巷道正常使用，巷道不需要二次返修，表明煤柱寬度合理，支護方案可靠有效。

5　主要結論

（1）沿空巷道處于大結構保護之下，掘巷成功的關鍵在于留設合理寬度的煤柱和設計良好的支護方案；（2）結合錢營孜礦實際條件，通過理論計算和數值模擬得出6m寬的煤柱最為合理；（3）依據三高一低原則，提出了在錨桿支護的基礎上采用小孔徑錨索補強支護方案，按照此方案進行了工程實踐，結果表明巷道圍巖變形可控，變形后不影響巷道正常使用，驗證了煤柱寬度和支護方案的合理性。

參考文獻：

[1]礦山壓力與巖層控制[M].中國礦業大學出版社,2003.

[2]錢鳴高,繆協興.采場“砌體梁”結構的關鍵塊分析[J].煤炭學報,1994,19(06):557-563.

[3]綜放沿空掘巷圍巖穩定控制原理與技術[M].中國礦業大學出版社,2008.

作者簡介:李齊文（1987-）,男,安徽淮北人，學士，助理工程師，研究方向：礦山壓力及巖層控制方面。