挖金灣煤礦煤柱工作面巷道布置及支護技術應用研究

楊海峰

（同煤集團挖金灣煤業有限責任公司，山西 大同 037042）

1 工程概況

同煤集團挖金灣煤礦正在進行其工業廣場西部5#煤層第四采區西大巷保護煤柱回采，大巷保護煤柱寬度為110m，設計工作面推進長度約為420m，工作面回采過程中預計通過F19與F14兩個較大斷層，煤柱兩側為各個工作面的采空區，分布情況差異較大，見圖1。5#煤層厚度1.05～4.2m，平均約為3.2m，煤層傾角7.4～10.5°，平均9.0°。直接頂和直接底分別為平均厚度5.03m和2.15m的砂質泥巖，抗壓強度為3.4～7.8MPa。煤柱工作面共布置兩個回采巷道，回風平巷北側與5400工作面采空區相鄰，采空區與煤柱體的長度方向近似平行，運輸平巷南側與5402～5405工作面采空區相鄰。本文以該煤柱工作面為研究對象，對巷道布置和支護技術進行研究。

圖1 挖金灣煤礦第四采區大巷保護煤柱示意圖

2 煤柱工作面巷道合理位置的確定

工作面回采巷道布置時，應避開煤巖體破碎及應力集中程度較高的區域，這樣既有利于巷道圍巖的控制，又能夠通過減小回采巷道保護煤柱的寬度提高資源的利用率[1-2]。挖金灣5#煤層第四采區煤柱回收工作面兩側采空區分布形式差異很大，因此需對回風平巷和運輸平巷保護煤柱的寬度分別進行設計。回風平巷一側，采空區規則分布，參考正常工作面的區段煤柱寬度，在回風平巷側設計7種窄煤柱寬度，分別為3m、4m、5m、6m、8m、10m、15m；而運輸平巷一側，采空區走向與運輸平巷斜交較大，大致為69°、75°和75°，采空區邊緣距離運輸平巷的距離差別很大，且5403工作面采空區與運輸平巷距離最近，因此模型建立時以5403采空區為例。運輸平巷與5403采空區拐點間設計5種煤柱寬度，分別為5m、10m、20m、30m、40m。為具體分析不同煤柱寬度對于煤柱工作面回采的影響，采用FLAC3D數值模擬軟件，建立如圖2所示的數值模型，研究分析不同煤柱寬度條件下巷道圍巖的穩定情況[3-4]。工作面煤巖體采用摩爾—庫倫本構模型，模型尺寸長×寬×高=210×300×82.5m。5#煤層工作面采高3.2m，兩側煤體回采后采用一次性換充填材料模擬采空區冒落矸石。模型位移邊界條件：模型前后、左右邊界法向位移受到約束，底面為固定邊界，上部為自由邊界，基于上方邊界施加9.25MPa的等效載荷。

圖2 三維數值模型示意圖

2.1 回風平巷位置分析

為具體分析不同煤柱條件對于巷道圍巖穩定性的影響，分別統計煤柱工作面處于掘巷期間和回采期間圍巖內應力分布與煤柱寬度的關系，回風平巷圍巖內應力變化曲線如圖3所示。由圖3可以看出，回風平巷掘進期間，隨著與采空區距離的變化，不同煤柱寬度條件下，煤柱內垂直應力呈現先增大后減小的變化趨勢，留設的煤柱寬度越大煤柱內應力峰值越大，煤柱寬度為3～4m時，煤柱完全發生塑性破壞；煤柱寬度為4～6m之間時，煤柱內應力峰值均小于20MPa；煤柱寬度在6～15m時，煤柱應力峰值開始超過20MPa；5#煤層單軸抗壓強度約為20.5MPa，因此根據掘巷期間煤柱內的應力分布，煤柱寬度為4～6m較合理。根據圖3(b)所示的模擬結果可以看出，回采期間煤柱內垂直應力峰值明顯增大，而當煤柱寬度為4～5m，應力峰值仍小于20MPa，煤柱寬度為6m時，應力峰值達到22MPa。綜上分析，將回風平巷側煤柱寬度設計為5m。

圖3 回風平巷煤柱內應力分布規律

2.2 運輸平巷位置分析

煤柱工作面運輸平巷圍巖內應力變化曲線如圖4所示。由圖4（a）可知，隨著運輸平巷與5403采空區煤柱寬度的增大，煤柱內應力峰值先增大后減小，當煤柱寬度為5～10m時，煤柱內應力基本上全部大于20MPa，煤巖體內應力集中程度過高；煤柱寬度為20～40m時，煤柱內應力峰值為23MPa，但是煤柱中間部分垂直應力均小于15MPa。因此考慮煤柱寬度為20～40m之間較為合適。根據圖4（b）所示結果可知，工作面回采期間，煤柱內支撐應力在5403工作面采空區拐點處最大，煤柱寬度由20m增加到30m，煤柱內垂直應力明顯減小，煤柱寬度繼續增大到40m，垂直應力繼續減小，但是減小并不明顯。因此，綜合考慮經濟等多方面的因素，確定運輸平巷側煤柱寬度為30m。

3 煤柱工作面回采巷道支護技術

四采區煤柱回收工作面回風平巷和運輸平巷巷道斷面均為矩形，斷面尺寸寬×高=4500×3000mm，設計采用錨桿、錨索及鋼筋網、鋼筋梯子梁聯合支護。頂板采用Ф22×2400mm的高強度螺紋鋼錨桿，錨桿間排距為850×800mm，每排六根；回采幫采用Ф22×2400mm的玻璃鋼錨桿，間排距為850mm×800mm，每排四根；煤柱幫采用Ф22×2400mm的高強度螺紋鋼錨桿，每排五根，間排距為700mm×800mm；兩幫靠近頂底板的錨桿傾斜20°安裝，頂板靠近兩幫的錨桿向兩幫傾斜20°施工。采用直徑為6.5mm的鋼筋網，網孔為邊長100mm的矩形，鋼筋梯子梁由Φ14mm圓鋼焊接而成。錨桿采用錨固劑為K2340、Z2360各一支，預緊力不小于150N·m，錨固力不小于150kN。頂板錨索采用Φ17.8mm×7300mm的小孔徑預應力，采用“五花布置”，間排距為1700×1600mm，距巷幫1400mm，頂板錨索錨固劑使用快速S2360一支和Z2360兩支，錨索垂直頂板安裝，預緊力不小于130kN?；仫L平巷和運輸平巷的支護詳情如圖5所示。

圖4 運輸平巷煤柱內應力分布

圖5 “錨網索梁”聯合支護示意圖

4 現場應用及效果分析

挖金灣煤礦5#煤層第四采區煤柱回收工作面首先進行其回風平巷的掘進，煤柱寬度為5m，在其掘進期間進行了圍巖位移觀測，結果如圖6所示。根據圖6（a）所示的監測結果可以看出，巷道掘進期間圍巖穩定后，頂板下沉量最大為125mm，底板底鼓量最大為28mm，窄煤柱幫最大位移量約為123mm，回采幫最大位移量約為180mm，兩幫最大移近量平均值約為251mm。總體來說巷道圍巖的變形量較小，回采巷道變形能夠滿足掘進及工作面回采期間巷道使用要求，同樣表明本文確定的巷道布置及支護方式合理。

圖6 回風平巷圍巖位移觀測結果

5 結 論

為確定挖金灣煤礦5#煤層第四采區大巷煤柱回收工作面回采巷道的煤柱留設的合理寬度及合理的支護方案，通過數值模擬及理論分析研究表明，回風平巷側煤柱寬度為5m，運輸平巷側煤柱寬度為30m較合理，設計采用錨網索對兩個回采巷道進行支護。回風平巷掘進期間，巷道圍巖穩定后，頂板下沉量最大為125mm，底板底鼓量最大為28mm，窄煤柱幫最大位移量約為123mm，回采幫最大位移量約為180mm?；仫L平巷留5m窄煤柱和采用錨網索支護合理，煤柱寬度及支護設計控制效果良好。