沿空巷道煤柱留設和圍巖控制技術

宋小科

(潞安環能股份公司常村煤礦，山西 長治 046102)

煤礦開采時采煤工作面之間需留設一定的護巷煤柱，煤柱的尺寸直接關系到對上覆巖層的承載能力問題，若煤柱留設不合理，上覆巖層帶來的較大的垂直應力會導致巷道變形嚴重，影響正常的生產。同時，當巷道開始掘進時，煤層的受力狀態由三向轉化成兩向受力，圍巖的應力重新分布。故及時增加支護有利于巷道保持穩定，合理化的支護方案可避免二次返修巷道，達到節約成本的要求。通過提高圍巖強度、錨桿索預緊力從而達到承載上覆巖層結構，有效解決了巷道變形嚴重的問題。大多數煤礦在厚煤層中采用了沿空掘巷技術，巷道布置在應力減低區域。

1 概況

西山煤電官地礦礦井埋深平均為552m，為低灰、低硫、高熱不粘煤。可采煤層為8#煤，煤厚4.31～7.01m，平均6m，屬較穩定的煤層。8#煤的直接頂為泥巖、細砂巖，底板為泥巖、細砂巖，穩固性差。煤層頂底板抗壓強度在20～30MPa左右。8221工作面兩條巷道斷面：4m ×3.5m，為矩形巷道。之前8219和8217回采工作面間留設18m的寬煤柱，但接續面巷道變形嚴重，且煤炭資源浪費較大。

2 窄煤柱尺寸計算

工作面基本頂斷裂傳遞給側向支承壓力，按照傳遞巖梁理論可分為“內應力場”和“外應力場”。內應力場煤體承受基本頂的重量，處于低應力狀態，利于巷道布置。隨著工作面的不斷推進，受采動影響和基本頂自重，巷道側幫的直接頂和煤體壓縮、變形，外應力場承受上覆巖層的總重量。其中內應力場的分布為：

式中：

L-面長，151m；

M-基本頂厚度，9.0m；

Mz-直接頂厚度，7.5m；

h-煤層厚度，8.0m；

γ-巖層容重，25kN/m3；

E-煤體彈性模量，2.41GPa；

μ-泊松比，0.25；

Kc-煤巖碎脹系數，1.2；

C-初次來壓步距，50.3m；

L0-周期來壓步距，8.2～15.6m；

β-煤體發育影響系數，0.8。

將以上參數代入式（1），得到內應力場范圍S1為3.28～4.52m，即基本頂斷裂位置距煤壁3.28～4.52m。考慮錨桿的錨固作用，煤柱寬度至少留設5m。

3 數值模擬

圖1 工作面回采FLAC3D模型

采用FLAC3D數值模擬軟件進行計算分析，模型采用Mohr-Coulomb本構模型，相關的巖石力學參數見表1。對常規綜放開采和錯層位外錯式采煤方法進行模擬。采用模擬模型尺寸：長250m，寬300m，高68m，巷道斷面4.5m×3m。煤層埋深552m，容重取25kN/m3。限制模型底面和前后、左右的位移，頂部為自由面，施加13.8MPa垂直應力（見圖1）。分別比較3m、4m、5m、6m、7m的煤柱留設方案。本文僅列出最優方案：5m煤柱沿空巷道垂直應力等值線圖（見圖2）。

圖2 5m煤柱沿空巷道垂直應力等值線圖

由五種煤柱留設方案數值模擬計算結果可知：5m煤柱時，沿空巷道窄煤柱一側應力峰值12MPa，應力集中系數為2，但巷道實體煤側應力峰值為10MPa，煤柱周圍圍巖壓力較大，類似于“駝峰”侵入煤柱，會對煤柱造成較小破壞，和其他方案相比，煤柱所受的力小于原巖應力。

表1 巖石力學參數

4 聯合支護技術

厚煤層巷道采用“錨噴網+錨索”的聯合支護，真正的意義是巷道頂板錨桿拱在錨索的錨固力作用下懸吊在上覆巖層。

4.1 優化巷道支護方案

運輸巷和回風斷面為矩形，規格為：寬×高=4500×3000mm。支護采用“錨、網、索、鋼帶”支護，頂錨桿采用Φ22×2400mm的左旋無縱筋螺紋鋼高強度錨桿，間排距為700×900mm，每排7根頂錨桿；錨索采用Φ17.8×8000mm的七芯鋼絞線，間排距為1500×2000mm，每排2根錨索。幫錨桿采用Φ20×2400mm的右旋無縱筋螺紋鋼錨桿，間排距為800×900mm，每排4根幫錨桿；錨索采用Φ17.8×3000mm的七芯鋼絞線，間排距為1500×2000mm，左右巷道幫每排1根錨索。巷道頂部安設鋼帶，規格為Φ12×4600mm，排距為900mm（見圖3）。

圖3 巷道支護方案

4.2 現場應用效果

對回采巷道進行巷道頂底板、兩幫變形量監測后可知，頂底板最大移近量為120mm，兩幫最大移近量為155mm，直至距工作面70m變形量才逐步減少。整體巷道變化幅度不大，利于巷道維護。較原支護方案頂底板位移量減少55mm，兩幫移近量減少63mm（見圖4）。

5 結論

通過理論分析計算和FLAC3D模擬得出留設5m煤柱最為合理，優化巷道支護參數后監測巷道的變形量，較之前的支護方案有明顯提升。對礦井生產、煤炭回收率及采掘接續都有較好的效益。

圖4 優化后巷道圍巖變形量