厚煤層沿空巷道合理煤柱寬度留設及圍巖控制研究

陳晉超

（西山煤電馬蘭礦，山西 古交 030200）

1 工程概況

西山煤電馬蘭礦18506工作面位于-910m水平南五采區，主采8#煤層，煤層厚度3.80～4.80m，均厚4.43m，煤層平均傾角4°，含有2層夾矸。煤層直接頂為L1泥灰巖，均厚2.32m；基本頂為粉砂巖，均厚2.33m；直接底為粉砂質泥巖，均厚0.97m；基本底為粉砂巖，均厚3.60m。18506工作面采用一次采全高開采，設計采高3.8m，全部垮落法管理頂板。18506工作面輔運巷西北側為18504采空區。

2 沿空巷道合理煤柱寬度的確定

為探求18506工作面輔運巷與18504工作面采空區之間的合理煤柱寬度，通過綜合運用載荷估算法、塑性區理論計算法及數值模擬法對煤柱的合理寬度進行具體分析，以此尋求合理的煤柱留設寬度。

2.1 載荷估算法

該方法認為區段煤柱所承受的載荷主要來自煤柱上方巖層重量和采空區側沿傾向的上覆巖層的重量兩個方面[1-2]，其表達式如下：

式中：

D-區段煤柱一側或兩側采空區的寬度，m；

B-區段煤柱的寬度，m；

γ-煤柱上覆巖層的密度，kg/m3；

φ-煤柱上覆巖層自然狀態下的垮落角度，°。

在保證煤柱上方所受的應力小于等于煤柱所能承受的極限強度時，能夠得出煤柱臨界寬度B的表達式為：

式中：

Rc-煤的單軸抗壓強度，取為7.26MPa；

h-煤柱的高度，取為3.0m；

R-煤柱的極限強度，MPa。

根據18506工作面的地質資料，取D=2258.3m，H=400m，φ=45 °，γ=25kN/m3，Rc=7.26MPa，將上述數據帶入式（2）能夠得出煤柱寬度為B=14m，取為15m。

2.2 塑性區理論計算法

由于18506工作面與18504工作面之間煤柱寬度的留設需考慮相鄰回采巷道開挖及一側采空區回采的影響，故運用塑性區理論計算法分析煤柱的合理寬度較為合理，該法煤柱寬度B的計算表達式為[3-4]：

式中x0、x1的表達式如下：

式中：

B-區段煤柱寬度，m；

x1-回采巷道開挖后煤柱內部塑性區分布，m；

x0-采空區側煤柱內得塑性區寬度，m；

M2-采煤高度，m；

C-煤體內部黏聚力，MPa；

2M2-區段煤柱的彈性核區寬度，m；

φ-煤體內部內摩擦角，°；

f0-煤層與巖層間的摩擦因數；

α與k-Mises準則中的相關系數；

ξ-三軸應力系數。

根據8#煤層的地質資料，取M2=3m，φ=27 °，ξ=（1+sinφ）/（1-sinφ）=2.64，f0=0.5，K=2.8，C=0.45MPa，γ=25kN/m3，H=400m，據此能夠算出x0=4.0m，x1=10m。再將上述帶入式（3）能夠計算得出煤柱寬度B=20m。

2.3 數值模擬分析法

根據18506工作面的地質條件及巖層賦存條件，通過FLAC3D數值模擬軟件建立18506工作面與18504工作面間區段煤柱的數值模型，通過數值模擬分別對煤柱寬度為10m、15m、19m及23m時煤柱內部塑性區的分布特征進行具體分析，具體18504工作面回采后煤柱塑性區分布如圖1所示。

圖1 4種煤柱寬度時塑性區的分布

通過分析圖1可知，當煤柱寬度為10m時，18504工作面回采后，煤柱內部塑性區域已經完全貫通，頂板巖層塑性區域范圍擴延程度明顯，底板塑性區也逐漸出現擴延；當煤柱寬度為15m時，此時煤柱內部的塑性區域的分布也已經全部貫通，但相對10m煤柱時，塑性區域的擴展范圍相對減小，此時18506工作面輔運巷由于變形量過大已經無法正常使用；當煤柱寬度為19m時，煤柱內屈服區域大幅降低，煤柱下方底板基本無塑性區發育，18506輔運巷周圍塑性區范圍較小，能夠保證巷道的穩定；當煤柱寬度為23m時煤柱內塑性區域的范圍進一步縮小，煤柱底板同樣無塑性區發育。綜合上述分析，同時基于確保區段煤柱穩定及經濟的角度考慮，煤柱的合理寬度留設范圍為19～23m。

綜合上述分析，并結合18506工作面的具體地質情況，最終確定合理的煤柱留設寬度為19m。

3 沿空巷道圍巖控制技術

3.1 支護參數

為保證留設19m煤柱下，18506工作面輔運巷在18504工作面回采完畢后，18506工作面進行回采工作時巷道的穩定性，在對巷道圍巖的力學特征及巖層的賦存狀況進行分析后，提出具體的支護方案。

18506工作面輔運巷斷面為矩形，高為2900mm，寬為5000mm，巷道采用錨網索支護。頂板錨桿采用左旋螺紋鋼高強錨桿，尺寸參數為 Φ20×2500mm，間排距為900×900mm；頂板錨索采用Φ21.6×10200mm的鋼絞線，間排距為1800×2700mm；兩幫錨桿采用左旋螺紋鋼錨桿，尺寸參數為Φ18×2000mm，間排距為800×800mm。具體巷道支護參數如圖2所示。

圖2 18506工作面輔運巷支護斷面圖

3.2 應用效果分析

為驗證巷道支護參數及煤柱留設寬度的合理性，在18506工作面回采期間，分別在距離工作面110m和240m的位置布置礦壓監測站，對巷道的支護受力情況及巷道的表面位移情況進行監測分析。

（1）巷道支護受力特征分析

根據礦壓觀測結果所得數據，繪制出頂板及煤柱幫錨桿（索）受力狀態—時間曲線圖，頂板及護巷煤柱幫的錨桿（索）受力曲線圖如圖3所示。

圖3 18506輔助巷錨桿（索）受力狀態

根據錨桿的受力特征得知，在工作面推進11d，頂板錨桿的受力狀態略有增幅，錨索的受力狀態呈現水平狀態；在16～23d期間，錨桿（索）的受力狀態均以較平緩的趨勢上升；在工作面推進36～47d時，距工作面110m的測點錨索受力呈現緩慢增長趨勢，錨桿受力出現小范圍波動，距工作面150m錨索呈現近似水平的趨勢，錨索受力呈現緩慢增長，頂板錨桿的最大受力為30kN，錨索的最大受力為40kN。綜合上述分析可知，18506工作面輔運巷頂板圍巖受到本工作面回采影響較小，頂板圍巖穩定。

在工作面推進11d時，護巷煤柱幫錨桿的軸向力也在相應的緩慢增長；在工作面推進約15d時，錨桿兩測點的軸力上升到35kN、14kN；當工作面推進約44d時，巷道錨桿受力特征呈現逐漸增大的趨勢，但從總體看幫部錨桿的受力狀態較為平緩，煤柱幫錨桿的最大軸向力為50kN，這便表明18506工作面輔運巷在19m護巷煤柱寬度與現有支護下受本工作面采動影響程度低，巷道圍巖處于穩定狀態。

（2）巷道表面位移

在距工作面150m的位置處布置測站監測巷道表面位移，根據監測數據能夠得出巷道表面位移量—距工作面距離曲線圖，曲線圖如圖4所示。

圖4 18506工作面回采期間測點巷道圍巖變形量

隨著18506工作面的推進，測點圍巖的變形量均在采動影響下逐漸增大。將巷道頂底板及兩幫移近量近似劃分為三個階段，即測站距工作面70m以上圍巖變形量處于穩定階段，當距工作面40～70m時，巷道圍巖變形量開始緩慢增長，當距工作面0～40m時巷道圍巖變形量快速增長。在18506工作面回采期間，輔運巷最大頂底板移近量為175mm，最大兩幫移近量為245mm。據此能夠得知18506工作面輔運巷在19m護巷煤柱和現有支護方式下巷道圍巖變形量不大，變形量能夠滿足回采巷道的使用要求。

4 結論

（1）通過綜合運用載荷分析法、塑性區理論計算法及數值模擬分析法對18504工作面與18506工作面之間區段護巷煤柱的合理寬度進行分析，最終確定合理的煤柱留設寬度為19m。

（2）根據礦壓監測數據得知，在18506工作面回采期間，輔運巷錨桿（索）的受力在合理范圍內，巷道頂底板相對移近量最大為175mm，兩幫最大移近量為245mm，據此可知18506工作面輔運巷在19m護巷煤柱和現有支護方式下巷道圍巖變形量合理，滿足回采巷道的使用要求。