厚煤層綜采工作面沿空掘巷合理煤柱寬度及圍巖控制技術(shù)研究

馬富君

（潞安集團(tuán)蒲縣伊田煤業(yè)有限公司，山西 蒲縣 041200）

1 工程概況

山西潞安集團(tuán)伊田煤業(yè)有限公司2202 工作面位于11#煤層22 采區(qū)，2202 工作面北側(cè)為11#煤東翼帶式輸送機(jī)大巷，西側(cè)為2105 工作面采空區(qū)，東側(cè)為實體煤，南側(cè)為井田邊界保護(hù)煤柱。工作面主采9+10+11#煤層，煤層均厚為5.17m。煤層直接頂為K2 石灰?guī)r，均厚10.58m；直接底為灰色泥巖及砂質(zhì)泥巖，均厚為2.98m；基本底為砂巖，均厚3m。

2202 工作面回風(fēng)巷西側(cè)為2105 工作面采空區(qū)，巷道長度為1138m，斷面形狀為矩形，寬×高=4.0m×3.2m，采用錨網(wǎng)索進(jìn)行支護(hù)。現(xiàn)為有效提高煤炭采出率，在保障回風(fēng)巷圍巖穩(wěn)定的前提下，盡量縮小護(hù)巷煤柱的寬度，特進(jìn)行沿空掘巷煤柱合理寬度及穩(wěn)定性的研究分析。

2 沿空掘巷窄煤柱寬度分析

2.1 煤柱寬度理論分析

煤柱留設(shè)寬度一直是巷道圍巖穩(wěn)定性研究的關(guān)鍵影響因素，煤柱留設(shè)寬度不合理不僅會影響巷道圍巖應(yīng)力分布狀態(tài)及范圍，還可能造成巷道圍巖變形量增大等問題。沿空掘巷沿鄰近采空區(qū)邊緣進(jìn)行掘進(jìn)，其窄煤柱受到毗鄰工作面采動影響，此時煤柱兩側(cè)淺部圍巖會發(fā)生塑性變形及破壞[1-2]。隨著煤柱寬度的減小，煤柱內(nèi)的應(yīng)力集中程度得到減弱，但煤柱寬度又不應(yīng)太小。如果煤柱寬度低于某個值時，煤柱將會發(fā)生蠕變變形破壞，導(dǎo)致煤柱幫錨桿不能錨固在穩(wěn)定巖層中。

為有效分析沿空掘巷護(hù)巷煤柱的寬度，采用極限平衡理論[3-5]。該理論基于煤柱的塑性破壞深度、錨桿的長度，同時考慮到一定的安全系數(shù)，進(jìn)行護(hù)巷煤柱寬度的分析。其具體原理如圖1 所示。

圖1 沿空掘巷煤柱合理理論計算示意圖

沿空掘巷窄煤柱最小合理寬度可由以下公式計算：

式中：

B-煤柱最小合理寬度留設(shè)范圍，m；

x1-煤柱位于相鄰采空區(qū)側(cè)的破碎區(qū)長度，m；

x2-錨桿的有效長度，m；

x3-安全系數(shù)，緩傾斜煤層按（0.25 ～0.35）（x1+x2）；

M-煤層厚度，m；

λ-側(cè)壓系數(shù)；

φ0-煤層內(nèi)摩擦角，°；

C0-煤層內(nèi)聚力大小，MPa；

K-應(yīng)力集中系數(shù)；

γ-煤巖層平均容重，一般取 25kN/m3；

H-巷道平均埋深，m；

P1-支護(hù)體對煤幫的支護(hù)阻力。

根據(jù)伊田煤業(yè)11#煤層巖石力學(xué)參數(shù)及2202 工作面參數(shù)取M=5.17m，λ=0.75，K=2，γ=25kN/m3，H=300m，φ0=15°，p1=0，C0=3MPa，x2=2.0m。基于上述數(shù)據(jù)能夠計算出x1=6.2m，則沿空掘巷合理的護(hù)巷煤柱寬度B=10.25 ～11.07m。

2.2 數(shù)值模擬分析

在2202 工作面回風(fēng)巷沿空掘巷護(hù)巷煤柱寬度理論計算結(jié)果的基礎(chǔ)上，根據(jù) 20109 工作面回風(fēng)巷圍巖物理力學(xué)性質(zhì)參數(shù)及礦井地質(zhì)資料，建立 FLAC3D數(shù)值計算模型。模型尺寸設(shè)為 150m×120m×50m，對模型底面進(jìn)行固定，并限制其側(cè)面在水平方向的運動，模型頂面施加工作面覆巖載荷 7.5MPa，水平側(cè)壓系數(shù)取 1。

（1）垂直應(yīng)力分布

在進(jìn)行不同煤柱寬度垂直應(yīng)力分布分析時，分別留設(shè)6m、 8m、 10m、 12m 煤柱。根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果，得出不同煤柱留設(shè)寬度時，窄煤柱圍巖垂直應(yīng)力分布規(guī)律如圖 2 所示。

分析圖2 可知，當(dāng)煤柱寬度為6m 時，巷道頂?shù)装鍛?yīng)力水平較低，應(yīng)力集中程度低；當(dāng)煤柱寬度為 8～12m 時，巷道頂?shù)装鍑鷰r應(yīng)力顯著增大，且形成的應(yīng)力等值線圈隨著煤柱寬度的增大呈現(xiàn)迥異的分布特征；煤柱寬度大于 8m 時，其內(nèi)部應(yīng)力水平較高，該煤柱內(nèi)部的應(yīng)力集中系數(shù)大于實體煤幫，此時的煤柱對頂板結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性具有重要的意義。

（2）圍巖位移量

在進(jìn)行不同煤柱寬度沿空巷道圍巖變形量的分析時，分別留設(shè)3m、4m、5m、6m、8m、10m、12m 煤柱，根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果能夠得出如圖3 所示結(jié)果。

圖3 不同煤柱寬度下圍巖位移量曲線

分析圖3可知，當(dāng)煤柱寬度由 3m 增加到 6m 時，巷道頂板下沉量由 127.4mm 逐漸減小至 89.7mm，減小幅度 42.3%。當(dāng)煤柱寬度在6～12m 范圍內(nèi)時，煤柱寬度大于 6m 后，頂板下沉量增加幅度明顯放緩且逐漸趨于穩(wěn)定，巷道底鼓量變化不是特別明顯，窄煤柱幫變形量隨著煤柱寬度的增加，呈現(xiàn)出先急劇增大—迅速減小—緩慢增長—趨于穩(wěn)定的趨勢，實體煤幫變形量的主要變化趨勢是：當(dāng)煤柱寬度超過 8m 時，有緩慢增長的趨勢。

綜合上述理論分析與數(shù)值模擬分析結(jié)果，結(jié)合2202 工作面的具體地質(zhì)條件，最終確定2202 工作面回風(fēng)巷沿空掘巷的護(hù)巷煤柱寬度為10.5m。

3 窄煤柱圍巖控制技術(shù)

3.1 支護(hù)方案設(shè)計

根據(jù)2202 工作面回風(fēng)順槽的地質(zhì)條件，結(jié)合數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行巷道支護(hù)方案的設(shè)計,巷道永久支護(hù)形式采用錨網(wǎng)索支護(hù)。具體支護(hù)方案如下：

（1）巷道頂板。錨桿采用Φ20×2400mm 左旋無縱肋螺紋鋼錨桿，每孔采用兩支錨固劑，1 支MSK2335 藥卷，1 支MSZ2360 藥卷。錨桿錨預(yù)緊力300Nm，采用150×150×10mm 金屬托盤。頂錨桿5 根，間排距為900×1000mm，頂角錨桿與頂部75°打設(shè)。

錨 索 采 用 規(guī) 格 為Φ18.9×7300mm 的1×7鋼絞線，錨固方式：每孔采用2 支MSZ2360 藥卷、1 支MSK2335 藥 卷，預(yù) 應(yīng) 力200kN，采 用300×300×16mm 高強(qiáng)度可調(diào)心托盤，每排一根，排距3000mm。

（2）煤柱幫支護(hù)。錨桿采用Φ20×2000mm左旋無縱肋螺紋鋼錨桿，每孔采用兩支錨固劑，1支MSK2335 藥卷，1 支MSZ2360 藥卷，錨桿錨預(yù)緊力300Nm，采用150×150×10mm 金屬托盤。幫錨桿4 根，間排距為900×1000mm，頂?shù)捉清^桿與幫部75°打設(shè)。

（3）回采幫支護(hù)。錨桿采用Φ20×2000mm玻璃鋼錨桿，每孔采用兩支錨固劑，1 支MSK2335藥卷，1 支MSZ2360 藥卷。錨桿錨預(yù)緊力50Nm，每排4 根，間排距為800×1000mm，頂?shù)捉清^桿與幫部75°打設(shè)。

網(wǎng)片規(guī)格：鋪設(shè)10#鐵絲經(jīng)緯網(wǎng)，頂網(wǎng)片規(guī)格5000×1000mm，網(wǎng)片搭接長度為100mm，采用16#鉛絲聯(lián)結(jié)，鋼筋托梁采用Φ14mm 鋼筋單筋焊接而成。具體支護(hù)方案如圖4 所示。

3.2 效果分析

為有效分析2202 工作面回風(fēng)巷在10.5m 護(hù)巷煤柱寬度和現(xiàn)有支護(hù)方案的圍巖控制效果，在沿空掘巷期間，進(jìn)行巷道圍巖的表面位移量監(jiān)測。根據(jù)監(jiān)測結(jié)果得出沿空掘巷后圍巖變形量曲線圖5。

圖4 2202 工作面回風(fēng)巷支護(hù)斷面圖

圖5 沿空掘巷后圍巖變形量曲線圖

分析圖5 可知，巷道掘出后，隨著時間的增長，巷道頂?shù)装寮皟蓭鸵平砍霈F(xiàn)逐漸增大的趨勢。頂?shù)装寮皟蓭偷淖冃瘟恐饕l(fā)生在巷道掘出后的15d內(nèi)，該期間內(nèi)頂?shù)装逡平康淖冃嗡俾蕿?.67mm/d，兩幫移近量的變形速率為6.67mm/d。當(dāng)巷道掘出15d 后，巷道圍巖的變形量增長很小，僅在很小的范圍內(nèi)變動，這即表明此時巷道圍巖基本達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。最終頂?shù)装宓淖畲笠平繛?2mm，兩幫的最大移近量為144mm。

4 結(jié)論

根據(jù)2202 工作面回風(fēng)巷的地質(zhì)條件，通過沿空掘巷護(hù)巷煤柱合理寬度的理論分析與數(shù)值模擬分析，確定煤柱寬度為10.5m，并對該護(hù)巷煤柱寬度下的支護(hù)方案進(jìn)行具體設(shè)計。通過巷道掘出后的巷道表面位移監(jiān)測得出，頂?shù)装寮皟蓭妥畲笠平糠謩e為82mm 和144mm，保障了巷道圍巖的穩(wěn)定，有效提高了煤炭采出率。