大采高綜采面雙巷掘進巷間煤柱合理留設研究

左文強，郭光裕

（1.陜西延長石油榆林可可蓋煤業有限公司，陜西榆林 719000；2.陜西延長石油巴拉素煤業有限公司，陜西榆林 719000）

礦井護巷煤柱的留設是巷道圍巖控制的重要組成部分，煤柱尺寸留設不合理易造成資源浪費更會致使煤巖體應力高度集中而引發礦井災害[1-3]。

為縮短局部通風距離，利于瓦斯管理和安全保障，許多大采高一次采全高綜采礦井采用雙巷掘進[4-8]，然而針對二次采動影響下大采高綜采面雙巷掘進巷間保護煤柱尺寸的合理留設研究較少。

鑒于此，本文以小保當礦一號井112201 綜采工作面雙巷間護巷煤柱尺寸的合理留設為工程背景，通過理論分析對大采高綜采工作面雙巷巷間煤柱尺寸進行初步計算確定，并采用數值模擬軟件分析單、雙側采動影響下不同煤柱尺寸工作面前方垂直應力演化特征，最終得到煤柱的合理留設尺寸，并基于非對稱支護原理提出了錨網索多方式聯合支護方案，研究成果可為類似條件礦井工作面區段煤柱留設及巷道圍巖控制提供參考。

1 工程地質條件

小保當礦一號井位于陜西省神木市，設計生產能力1500×104t/a，112201 綜采工作面位于2-2煤11 盤區，設計走向長度4800m，傾向長度350m，煤層埋深353～440m，厚度4.2～7m，均厚5.8m，平均傾角1°。112201綜采工作面直接頂為2.67～3.37m的細粒砂巖，老頂為14.23～35.29m 的中粒砂巖，直接底為2.05～2.67m 的砂質泥巖及粉砂巖，老底為2.9～9.55m 的砂質泥巖。112201 工作面順槽采用“兩進一回”布置，112201 工作面輔助運輸順槽待112201 工作面回采結束后在112202工作面作為回風順槽繼續復用。工作面布置如圖1所示。

2 理論分析

2.1 受力狀態分析

雙巷掘進期間，在單側工作面采空區條件下，巷間保護煤柱的破裂區位于采空區邊緣，煤柱內應力在破裂區增長迅速并形成高應力集中，增長至塑性區后達到最大值，此時煤柱內應力與其承載能力達到彈塑性平衡狀態，之后煤柱內應力逐漸減小并最終趨于平緩，在原巖應力區煤柱恢復彈性平衡狀態。雙側工作面采空狀態下，煤柱內應力以彈性核區為基準對稱分布，表現為“雙峰”狀態，與單工作面采空狀態相比，雙側工作面采空時破裂區內煤柱破壞更嚴重，煤柱強度降低，抵抗破壞的能力大大減弱[9]。煤柱內應力在塑性區表現出最大值，隨后其在彈性核區內減小，此時煤柱形態較完整，抵抗破壞的能力較強。

2.2 煤柱寬度計算

按照煤巷兩幫煤體應力和極限平衡理論，合理的最小護巷煤柱寬度是[10]：

式中：L——煤柱寬度，m；

L1——煤柱在采空區一側的塑性區寬度，m；

L2——核區寬度，m；

L3——煤柱在巷道一側的塑性區寬度，m。

綜采工作面在采空區一側的塑性區寬度為：

式中：m——煤柱高度；

d——開采擾動因子；

C——粘聚力；

σx——煤壁的側向約束應力；

θ——內摩擦角；

σ1——煤柱極限強度；

β——塑性區與核區界面處的側壓系數。

按巷道高度計算得巷間煤柱寬度為17.63m，按采高計算得巷間煤柱寬度為25.47m，因此，理論計算得煤柱范圍為17.63～25.47m。

3 數值模擬

3.1 數值模型建立

參考小保當煤礦2-2煤層地質資料，建立FLAC3D數值模型，模型尺寸（長×寬×高）175m×70m×60m，模型固定底部邊界，頂部邊界自由。為進一步確定巷間保護煤柱的合理尺寸，建立15m、20m和25m三種不同煤柱尺寸的數值模型進行模擬計算。工作面兩條順槽開挖至平衡后，112201 工作面開挖完成并沿工作面中心線監測煤柱及實體煤內的應力，隨后112202 工作面開挖35m且也沿工作面中心線監測煤柱及實體煤內的應力。

3.2 模擬結果

單側采動影響下，112201 工作面開挖后工作面前方垂直應力演化云圖如圖2 所示。由演化云圖可以看出，工作面開挖后采空區范圍內頂底板巖層呈現明顯卸壓狀態，煤柱內則出現應力集中現象。由應力演化曲線可以看出，沿工作面傾向，在遠離工作面的位置，應力大小雖有輕微波動但隨著靠近工作面呈逐漸減小的趨勢，尤其在112201 工作面輔助順槽附近因開挖卸壓而應力減小劇烈，煤柱內則因為應力集中而使得應力大于原巖應力。不同護巷煤柱尺寸下，煤柱內應力集中情況也不盡相同，15m、20m 和25m 護巷煤柱尺寸下煤柱內的應力峰值分別為39.5MPa、36.3MPa 和35.9MPa，20m和25m煤柱尺寸時兩者應力峰值相差較小。

雙側二次采動影響下，112202 工作面開挖后工作面前方垂直應力演化云圖如圖3所示。由圖可以看出，雙側采動影響下沿工作面傾向應力演化趨勢與單側采動時基本一致，但由于超前支承壓力的作用，112202工作面前方應力略大于單側采動。此外，煤柱內應力大小也略大于單側單側采動時煤柱內的應力，15m、20m和25m 護巷煤柱尺寸下煤柱內的應力峰值分別為40.6MPa、37.2MPa 和36.9MPa，15m 煤柱時其內部應力仍大于20m和25m煤柱尺寸其內部的應力。

數值模擬結果表明，單側采動及雙側二次采動總體對煤柱內部應力大小影響不大，但煤柱尺寸對采動影響下大采高綜采面的煤柱內應力影響較大，總體呈現隨煤柱尺寸增大其內部應力減小的趨勢。然而，當煤柱尺寸增加到20m后再增加煤柱尺寸其內部應力不再發生顯著變化，結合前文理論計算結果，確定小保當一號井112201 工作面雙巷巷間的護巷煤柱尺寸為20m。

4 圍巖控制技術及現場應用情況

4.1 圍巖穩定性控制技術方案

結合相鄰工作面回采巷道的變形破壞特征及支護方案，基于非對稱支護原理及施工現場的實際情況，提出了112201 工作面輔助運輸順槽支護方案，具體支護參數如圖4所示。

頂板支護錨桿采用?20mm×2400mm 左旋無縱筋螺紋鋼錨桿，間排距為800mm×800mm，托板采用Q235鋼，規格?170mm×10mm，錨桿錨固力不小于200kN，扭矩力不小于200N·m；錨索采用?17.8mm×6300mm的鋼絞線，每排2根錨索，間排距為2400mm×3000mm，托板為300mm×300mm×16mm 預應力鋼托板，錨固力不低于200kN。

開采幫支護采用?22mm×2400mm 玻璃鋼錨桿，間排距為900mm×1000mm，托板采用樹脂托盤+松木托盤（400mm×200mm×50mm），錨固力不小于120kN，扭矩不小于80N·m；非開采幫支護采用?20mm×2400mm 左旋無縱筋螺紋鋼錨桿，間排距為900mm×1000mm，托板采用Q235 鋼，規格?170mm×10mm，錨固力不小于200kN，扭矩力不小于200N·m。

當巷道受二次采動影響水平應力增大時，及時補打?17.8mm×5300mm幫部短錨索。

4.2 應用效果

為驗證煤柱留設寬度與支護參數選擇的合理性，在112201 工作面輔助運輸順槽進行現場監測，監測內容包括巷道表面位移變形情況、頂板覆巖穩定及完整情況。

在112201工作面輔助運輸順槽中心位置布置測站進行巷道表面位移觀測，觀測時間持續90d。如圖5所示，在設計20m護巷煤柱尺寸下，巷道表面位移變形量較小，0～40d觀測期內，巷道表面位移近似線性緩慢增長，此后逐步趨于穩定。頂板下沉量、底鼓量及巷道兩幫移近量最大分別為47.7mm、40.5mm、55.3mm，三者均在巷道圍巖變形可控范圍內，表明設計20m 護巷煤柱尺寸能有效保證巷道穩定。

在112201工作面輔助運輸順槽中心位置沿頂板進行鉆孔窺視，鉆孔深8m，觀測發現孔口位置巖石破碎嚴重，這是由于初始位置鉆頭破壞所致。隨著鉆孔深度增加，鉆孔孔壁光滑完整，雖交叉分布有少量環向和縱向裂隙，但無明顯巖石破碎，說明巷道頂板巖石完整且穩定性好，設計煤柱尺寸能充分保證巷道圍巖穩定。

5 結論

（1）理論分析可知，單、雙側采動影響下巷間煤柱受力狀態不同，雙側采動時其強度較低、抵抗破壞的能力較差，理論計算得采動影響下大采高綜采面雙巷掘進巷間煤柱的尺寸范圍是17.63～25.47m。

（2）數值模擬結果表明單、雙側采動對煤柱穩定整體影響較小，煤柱尺寸對其內部應力影響明顯，煤柱尺寸為20m、25m時其內部應力相差不大，兼顧經濟安全效益選擇20m作為最終煤柱尺寸。

（3）現場監測結果表明，設計20m 煤柱尺寸下，巷道表面位移較小、頂板覆巖完整且穩定性好，說明研究結果能充分滿足現場安全生產需要。