窄煤柱沿空掘巷技術在趙莊二號井的應用

田偉寧

【摘 要】 文章針對趙莊二號井3#煤回采工作面區段煤柱留設寬度較大、煤炭資源回采率低的問題，采用理論計算和數值模擬相結合的研究方法，確定了2325綜采工作面2107巷留窄煤柱沿空掘巷時煤柱最佳寬度為8m，并給出了相應的支護方案。現場實測結果表明：當煤柱寬度為8m并采取相應支護措施后，沿空巷道頂底板和兩幫最大移近量分別為154.26mm和97.15mm，巷道圍巖變形控制效果良好，確保了工作面安全生產。

【關鍵詞】 沿空掘巷;窄煤柱;數值模擬;支護設計

【中圖分類號】 TD32 【文獻標識碼】 A 【文章編號】 2096-4102（2021）02-0015-02

本文基于前輩的研究成果，結合趙莊二號井2325綜采工作面地質條件，采用理論計算和數值模擬相結合的研究方法，確定了沿空掘巷窄煤柱的合理寬度，提出了對應的支護方案，有效控制了沿空掘巷圍巖變形，為類似工程條件工作面采用窄煤柱沿空掘巷技術提供了一定的借鑒。

1工程概況

趙莊二號井目前主采3#煤，煤層平均埋深204.15m;煤層厚度3.15～5.57m，平均4.36m;煤層傾角0～7°，平均2°。煤層賦存穩定，全區可采。

2325綜采工作面北鄰2305工作面采空區，南部為實體煤，東靠采區保護煤柱，西鄰三條大巷，2325綜采工作面平面布置情況如圖1所示。

3#煤回采工作面留設了大量寬度為20～30m的區段煤柱，浪費了大量寶貴煤炭資源。

2窄煤柱合理寬度理論計算

護巷煤柱寬度是影響沿空留巷圍巖穩定性的關鍵因素。上一工作面采動影響導致護巷煤柱一定寬度范圍內塑性區發育，完整性降低。沿空巷道的掘進和下一工作面回采所產生的擾動使得護巷煤柱塑性區進一步發育，完整性進一步降低。若護巷煤柱寬度較小可能導致其自身的承載能力喪失，巷道支護失效，進而導致沿空巷道變形過大而失穩。根據極限平衡理論可知，護巷煤柱最小寬度應不小于極限平衡條件下的煤柱寬度。因此，護巷煤柱寬度根據式（1）進行計算：

式中：B為護巷煤柱最小寬度，m;x1為采空區側煤柱塑性區寬度，m;x2為煤柱側錨桿長度，m;x3為煤柱彈性核區寬度，取（0.15～0.35）（x1+x2）。由2325綜采工作面具體情況知，x1為3.24m，x2為2.4m，x3為0.68～1.92m。綜合考慮經濟和安全等因素，取x3為2m。因此，可計算得護巷煤柱最小寬度B為7.64m，故2325綜采工作面2107巷預留8m寬的護巷煤柱。

3窄煤柱寬度數值模擬分析

3.1模型建立

為進一步確定2325綜采工作面2107巷預留護巷煤柱寬度的合理性，采用FLAC3D數值模擬軟件分別對寬度為5m、8m和11m時的護巷煤柱垂直應力分布情況進行模擬研究。2107巷為矩形斷面，斷面尺寸為5000×3300mm（寬×高）。所建數值計算模型尺寸為500×300×50m（長×寬×高），數值計算采用摩爾-庫倫準則，模型上邊界施加5.11MPa的均布載荷等效上覆巖層重力，模型左右、前后邊界固定法向位移，底部為固定邊界。2305工作面采空區采用一次性充填材料模擬垮落矸石。3#煤層及其頂底板巖層物理力學參數如表1所示。

模擬方案：首先對2305工作面進行開挖，待2305工作面采空區穩定以后，分別留設寬度為4m、6m、8m、10m和12m的護巷煤柱，對2325工作面2107巷進行沿空掘巷，分別對不同護巷煤柱寬度時煤柱采空區側垂直應力分布情況進行分析。

3.2模擬結果與分析

不同寬度煤柱內垂直應力變化情況如圖2a所示。由圖2a可知，當煤柱寬度為4m和6m時，煤柱內垂直應力呈“倒V”形分布。當煤柱寬度為8m、10m、和12m時，煤柱內垂直應力呈“M”形分布。煤柱內垂直應力峰值隨煤柱寬度的增大而減小，表明隨著煤柱寬度的增加，煤柱內彈性核區寬度不斷增大，即寬度較大的煤柱自支承能力越強。但當煤柱寬度大于10m后，煤柱內垂直應力峰值無顯著變化。由此可知，煤柱寬度為8～10m時，煤柱內垂直應力分布較為合理，其自支承能力較強，有利于沿空巷道穩定。不同寬度煤柱的煤柱幫位移量變化情況如圖2b所示。由圖2b可知，煤柱幫位移量隨煤柱寬度的增大而逐漸減小，且在煤柱寬度大于8m時煤柱幫位移量減小幅度較大，而在煤柱寬度小于8m時煤柱幫位移量減小幅度較小。綜上所述，并同時考慮經濟和安全等因素，確定2107巷護巷煤柱寬度為8m。

4工業性試驗

結合趙莊二號井實際生產情況和鄰近工作面支護情況，2325綜采工作面2107巷設計采用“錨網索”方案進行支護。頂錨桿采用Φ20×2400mm的高強度左旋無縱筋螺紋鋼錨桿，每排布置6根，間排距為800×1000mm，靠近巷幫的錨桿距巷幫500mm，所有頂錨桿均垂直頂板布置，錨固劑采用K2335和Z2396樹脂錨固劑各一支。頂錨索采用SKP22-1/1720-5400高強度低松弛預應力鋼絞線，采用“二〇二”的布置形式，間排距為2000×2400mm，錨固劑采用一支K2335和兩支Z2396樹脂錨固劑。幫錨桿采用Φ20×2400mm的玻璃鋼錨桿，間排距為800×1000mm，兩肩窩和兩底角錨桿分別向上和向下傾斜25°布置，錨固劑采用K2335和Z2396樹脂錨固劑各一支。2107巷支護情況如圖3所示。

趙莊二號井2325綜采工作面2107巷與2305工作面采空區間留設8m寬的護巷煤柱，并采用上述“錨網索”支護方案進行支護。在巷道掘進過程中，采用十字布點法對巷道表面位移量進行監測，結果表明：巷道掘進100m范圍內，頂底板最大移近量和兩幫最大移近量分別為154.26mm和97.15mm，巷道圍巖變形量較小，圍巖變形控制效果良好。證明通過留設8m寬的護巷煤柱并采取相應的支護措施后，能夠有效控制2107巷圍巖變形，為2325工作面安全生產奠定了基礎。

5結語

為提高趙莊二號井2325綜采工作面煤炭回采率，設計采用留窄煤柱沿空掘巷技術施工2107巷。根據3#煤層實際地質條件，通過理論計算和數值模擬分析確定窄煤柱的合理寬度為8m，并提出了“錨網索”支護方案。現場實測結果表明：2107巷頂底板和兩幫最大移近量分別為154.26mm和97.15mm，巷道圍巖變形控制效果良好，確保了2325工作面的安全生產。

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