厚煤層綜放工作面沿空掘巷窄煤柱合理寬度研究

張 浩

（山東能源集團兗州煤業有限公司楊村煤礦，山東 濟寧 272067）

為降低工作面回采期間側向支承壓力對巷道穩定的影響，厚煤層綜放開采時通常留設20～30 m寬的護巷煤柱，導致大量煤炭資源遺留井下[1-4]。留窄煤柱沿空掘巷技術憑借煤炭回采率高和可緩解采掘接替緊張等優點，近年來在我國各大礦區得以廣泛應用[5-7]。楊村煤礦作為典型的衰老礦井，煤炭可采儲量嚴重不足，為提高煤炭資源回采率，延長礦井服務年限，楊村煤礦334綜采工作面采用留窄煤柱沿空掘巷技術掘進334軌道順槽。

1 工程概況

楊村煤礦主采3#煤，埋深196～219 m，煤層厚度6.9～8.0 m，平均7.88 m，煤層平均傾角4°，煤層結構簡單，賦存穩定，為全區可采煤層。3#煤頂底板巖性情況見表1。

334綜采工作面北鄰331工作面采空區，南為實體煤，西為護巷煤柱，東為南翼三條大巷。334軌道順槽采用留窄煤柱沿空掘巷技術跟3#煤底板掘進，巷道斷面為梯形，上部凈寬4400 mm，下部凈寬5000 mm，凈高3550 mm，設計總長度257.75 m。334軌道順槽布置情況如圖1。

圖1 334工作面布置示意圖

2 窄煤柱合理寬度的確定

2.1 窄煤柱合理寬度理論分析

合理的護巷窄煤柱寬度是決定沿空掘巷能否成功的關鍵。煤柱合理寬度計算模型如圖2。由極限平衡理論可知，煤柱合理寬度可由式（1）和式（2）進行計算[8]：

圖2 護巷窄煤柱合理寬度計算模型圖

式中：B為窄煤柱寬度，m；x1為煤柱幫錨桿有效長度，取1.8 mm；x2為采空區側煤柱塑性區寬度，m；x3為煤柱安全系數，m，此處取（0.15～0.35）（x1+x2)；m為上一工作面巷道高度，取5.20 m；A為側壓系數，取0.43；φ為煤體內摩擦角，取30°；H為巷道埋深，取207.7 m；k為應力集中系數，取0.25；C0為3#煤粘聚力，取0.65 MPa；Cc為頂板巖層粘聚力，取6.80 MPa；γ為上覆巖層容重，取32 t/m3；P0為上一工作面支架阻力，取0。將數據分別帶入式（1）和（2）可解得窄煤柱合理寬度B=7.26～8.45 m，此處取8 m。

2.2 窄煤柱合理寬度數值模擬分析

2.2.1 數值模型建立

為進一步確定煤柱合理寬度，以334軌道順槽為研究對象，采用FLAC3D數值模擬軟件分別研究了煤柱寬度為6 m、7 m、8 m、9 m和10 m時，334軌道順槽垂直應力分布。334工作面煤巖層物理力學參數見表2。

表2 煤巖層物理力學參數

2.2.2 模擬結果與分析

沿空巷道煤柱幫垂直應力與護巷煤柱寬度的關系如圖3。由圖3可知，煤柱寬度為6 m、7 m和8 m時，巷道煤柱幫垂直應力峰值分別為12.57 MPa、21.68 MPa和28.37 MPa，表明巷道煤柱幫垂直應力峰值隨煤柱寬度增加而顯著增大。煤柱寬度分別增大至9 m和10 m時，巷道煤柱幫垂直應力峰值分別為28.78 MPa和28.84 MPa，表明當煤柱寬度大于8 m時，巷道煤柱幫垂直應力峰值隨煤柱寬度的增大無顯著變化。由此可知，當煤柱寬度小于8 m時，煤柱承載能力較低，不足以承載上覆巖層重量，隨著煤柱寬度的增加巷道煤柱幫垂直應力峰值才大幅度增長；而當煤柱寬度增加至8 m時，其承載能力達到支承上覆巖層重力的要求，故隨著煤柱寬度的繼續增大，巷道煤柱幫垂直應力峰值無顯著增長。

圖3 不同煤柱寬度下巷道煤柱幫垂直應力分布規律

3 沿空掘巷支護設計及效果評價

3.1 沿空掘巷支護設計

基于3#煤已掘巷道支護參數和334工作面工程地質條件，提出“錨、網、索、帶”聯合支護方式對334軌道順槽進行支護。巷道支護斷面設計如圖4。

圖4 巷道支護斷面圖

（1）錨桿。頂板采用MSGLW-500/22×2200左旋無縱肋螺紋鋼樹脂錨桿，托盤采用150 mm×150 mm×10 mm正方形碗狀鋼托盤；巷幫采用MSGLD-500/20×1800左旋等強螺紋鋼式樹脂錨桿，托盤采用100 mm×100 mm×10 mm正方形碗狀鋼托盤。頂板和巷幫錨桿均垂直于巖面施工。頂板和巷幫錨桿間排距均為800 mm×950 mm。頂板錨桿每孔使用MSCKb2350型和MSCKb2370型錨固劑各1卷，巷幫錨桿每孔使用MSCKb2370型錨固劑1卷。菱形網選用LW-50/4-SZ型菱形網。頂板采用T型鋼帶（配專用托盤），巷幫采用鋼筋梯支護。鋼筋梯采用Φ10 mm圓鋼加工，寬80 mm。

（2）錨索。頂板采用SKP18-1/1860×7000礦用錨索，采用“二0二”方式布置，間排距為2000 mm×1900 mm，每孔使用MSCKb2370型錨固劑2卷和MSCKb2350型錨固劑1卷。錨索托盤采用Q345B材質碳素結構鋼板加工制成蝶形托盤，規格為300 mm×300 mm×16 mm，預緊力不小于150 kN。

3.2 支護效果評價

為了檢驗護巷窄煤柱留設寬度為8 m沿空掘巷的合理性，在334軌道順槽內布置2組位移測點，對334軌道順槽掘進期間巷道表面圍巖變形情況進行監測，每2 d對測點數據觀測一次并記錄，累計觀測一個月。334軌道順槽表面變形情況如圖5。

圖5 巷道表面變形規律

由圖5可知，334軌道順槽沿空掘進16 d范圍內時，巷道表面變形量呈快速增長趨勢。在巷道掘進16 d時，測點1和測點2所監測到的巷道兩幫移近量分別為78.36 mm和69.92 mm，頂底板移近量分別為62.33 mm和67.26 mm。在巷道掘進16 d以后，巷道表面變形量增長幅度逐漸減小，最終趨于穩定。在巷道掘進30 d時，測點1和測點2所監測到的巷道兩幫移近量分別為105.32 mm和100.59 mm，頂底板移近量分別為97.17 mm和85.47 mm。巷道表面變形量處于工程允許范圍內，能夠滿足334綜采工作面安全生產要求。由此可見，334軌道順槽采用沿空掘巷技術時留8 m寬的煤柱是合理有效的。

4 結語

（1）基于楊村煤礦334綜采工作面生產地質條件，理論計算求得334軌道順槽沿空掘巷護巷窄煤柱的合理寬度為7.26～8.45 m。

（2）采用FLAC3D數值模擬軟件，對比分析了護巷窄煤柱寬度為6 m、7 m、8 m、9 m和10 m時巷道334軌道順槽垂直應力分布規律。結果表明：煤柱寬度小于8 m時，巷道煤柱幫垂直應力峰值隨煤柱寬度增加而顯著增大；煤柱寬度大于8 m時，巷道煤柱幫垂直應力峰值隨煤柱寬度的增大無顯著變化。

（3）現場實測結果表明：留8 m寬的護巷窄煤柱對334軌道順槽進行沿空掘巷時，巷道表面變形量處于工程允許范圍內，能夠滿足334綜采工作面安全生產要求。