大采高工作面回采巷道合理煤柱寬度研究

趙 彬

（陜西煤業集團曹家灘礦業有限公司，陜西 榆林 719000）

合理護巷煤柱的寬度能與其支護結構及圍巖形成一個具有較高承載能力的系統載體[1-2]。隨著煤礦開采技術的不斷完善，許多學者針對小煤柱留設及巷道支護問題做了大量研究[3-5]。但很多礦區回采巷道采用雙巷布置的方式來保證采掘接替，而當本工作面回采結束后，其輔助運輸順槽可為下一工作面繼續服務。本文以曹家灘122108工作面回風和122106工作面外回風順槽為研究對象，通過現場監測、理論分析和工業試驗等方法綜合研究合理的巷間煤柱寬度，為后續工作面安全生產奠定基礎。

1 工程背景

曹家灘煤礦開采2-2煤層，煤厚平均10.25 m，埋深300～363 m，傾角約1°～2°。122108工作面是12盤區的122106首采面的接替工作面，設計工作面寬度為280 m，長為5910 m，區域內煤層產狀較為穩定，采用綜放開采，采5.8 m，放5～6 m。采區工作面巷道采用雙巷布置，中間設有聯絡巷。122108回風順槽和122106外回風順槽，寬5.6 m，高4.35 m，巷道斷面為24.36 m2。頂底板特征見表1。

表1 煤層頂底板特征表

在特大采高條件下，受122106工作面開采強擾動影響，本來計劃再次服務于122108工作面的122106外回風順槽已嚴重變形，無法再次使用。相鄰的122108工作面回風順槽底板和幫部也出現變形，部分巷道底板出現開裂、翹起等現象，底板混凝土翹起，嚴重影響正常運輸和行人。

2 煤體礦壓監測及合理煤柱寬度計算

2.1 煤體礦壓監測

為揭示采動影響下煤體的礦壓顯現規律，在122108工作面回風順槽和122106工作面外回風順槽的聯絡巷內布置圍巖應力監測測站，對實體煤側進行多點位應力監測，通過監測隨工作面不斷推進煤體內不同深度的內部應力場變化，分析綜采工作面回采前后煤體礦壓分布規律。煤體應力測區布置如圖1。

圖1 煤體應力測區布置

自122106工作面開切眼回采推進，在聯絡巷布置煤體應力監測點，在每個測點的煤柱幫煤體內布置深4 m、6 m、8 m、10 m、12 m、14 m、16 m、18 m的測點，監測距工作面不同距離、不同深度鉆孔應力變化數據。其中一組測站的監測結果如圖2。

由圖2工作面煤柱幫孔深4 m、6 m、8 m應力變化曲線可知，在距工作面14 m處鉆孔壓力有明顯升高，此范圍為超前支承應力增高區域；隨著工作面的不斷推進，應力曲線呈由快到慢的上升趨勢，主要是因回采帶來的應力重分布，側向煤體處于不穩定狀態；在工作面后方15 m處，孔深4 m、6 m、8 m鉆孔壓力急劇下降，相反孔深12 m、14 m、16 m鉆孔壓力直線上升，說明基本頂斷裂造成應力重新分布，實體煤側應力峰值向深部轉移；直到33 m處孔深4 m、6 m、8 m鉆孔壓力出現回升，而孔深12 m、16 m、18 m鉆孔壓力繼續增加，說明在采空區后方33～45 m范圍內覆巖運動比較劇烈，且對實體煤壁的應力影響起著主要作用，煤體受擾動承載較大。

圖2 煤柱幫煤體應力變化曲線

同樣，在覆巖運動結束后，深4 m、6 m、8 m、10 m的鉆孔平均壓力為6.4 MPa，而深在12 m、14 m、16 m、18 m的鉆孔平均壓力為11.8 MPa，前者鉆孔平均壓力明顯小于后者鉆孔平均壓力，說明實體煤側10 m范圍內為應力降低區；深18 m的鉆孔在覆巖運動期間受到的影響較小，在此之后壓力呈降低趨勢，表明采空區應力重新分布后實體煤側應力峰值在14～16 m范圍內。

2.2 合理煤柱寬度理論分析

合理的巷間煤柱寬度對其巷道圍巖的穩定性有重要的影響。隨著工作面的回采，122106外回風順槽要經歷122106工作面第一次階段的回采影響，而在后續122108工作面接替回采期間，122106外回風順槽經歷122108工作面第二次階段的回采影響，在多次采動的擾動下護巷煤柱的穩定尤為重要。在采動影響下采空區側向應力會隨上覆巖層的斷裂，向實體煤巖體側轉移，待上覆巖層基本穩定后形成新的力學平衡，如圖3。首次采動影響后，可將護巷煤柱分為三個區域：破碎區（a區）、相對穩定區（b區）和錨桿錨固區（c區）。

圖3 煤柱分區示意圖

根據圖3所示，合理的巷間煤柱寬度為：

式中：L為巷間煤柱寬度，m；La為煤柱破碎區寬度，m；Lb為煤柱相對穩定區寬度，m；Lc為錨桿錨固區寬度，m。

首次回采擾動影響后，在煤柱破碎區與相對穩定區的交界處其應力處于極限穩定狀態，為此滿足方程：

式中：σx、σy為x與y方向上的主應力；τxy為水平剪應力；fx、fy為摩擦系數。

經分析化解知，煤柱破碎區寬度為：

式中：h為采高，綜放開采回采率85%，取9.58 m；λ為側壓系數，取1.1；K為應力集中系數，取1.2；γ為巖體容重，取25 kN/m3；H為巷道頂板距離地表的距離，取平均值326 m；C為煤體黏聚力，取1.6 MPa；φ為煤體內摩擦角，取26°；px為支護阻力，取0.15 MPa。計算可得La=10.5 m。

巷道支護錨固區長度Lc為2.5 m，煤柱內部相對較穩定區域長度可由式（4）計算得到：

式中：k為考慮煤柱穩定系數，取0.5，得Lb=6.5 m。結合（1）式，巷間煤柱的穩定寬度取20 m。

3 現場應用效果

3.1 巷道支護方案實施

結合現場監測和理論計算，最終選取回采巷間煤柱合理寬度為20 m，在布置122108的下一個接替工作面回采巷道時，確保巷道穩定的前提下，采用高強度-預緊力和高系統剛度的支護。具體支護參數見表2，巷道支護斷面圖如圖4。

圖4 巷道支護斷面圖

表2 巷道支護參數表

3.2 試驗效果分析

為確定巷間煤柱寬度的合理性，在122108工作面回采期間采用十字交叉法在122108輔運輸巷道布置監測點，對回采過程中輔運輸順槽的頂板及兩幫進行位移監測，監測結果如圖5。

從圖5中看出，在回采期間122108輔運輸順槽頂底板移近量和兩幫移近量分別控制在12 mm和26 mm內，并未出現較大的圍巖破壞現象，在工作面回采至測點后方巷道圍巖變形量基本保持不變，整體處于相對穩定狀態，說明主運輸順槽與輔運輸順槽留設20 m寬的煤柱是合理的。

圖5 巷道頂板位移監測曲線

4 結論

（1）通過對現場實體煤側礦壓觀測，在大采高工作面高應力擾動條件下，回采工作面采空區側向煤體上覆巖體應力降低區在10 m處。

（2）結合現場監測和理論計算及現場試驗，以巷道圍巖變形量為指標，留設20 m的護巷煤柱合理有效。