沿空掘巷窄煤柱寬度與圍巖控制技術(shù)研究

馬巖意

（山西三元煤業(yè)股份有限公司，山西 長治 046000）

1 工程概況

三元煤業(yè)3#煤層平均埋深376.5 m，煤層厚度為6.36～7.50 m，平均厚度7.20 m；煤層傾角1°～10°，平均傾角5.5°；煤層結(jié)構(gòu)簡單，賦存穩(wěn)定，厚度變化較小，為全區(qū)穩(wěn)定可采煤層。煤層直接頂為細(xì)粒砂巖，平均厚度8.65 m；基本頂為中粒砂巖，平均厚度4.09 m；直接底為砂質(zhì)泥巖，平均厚度1.0 m；基本底為細(xì)粒砂巖，平均厚度2.98 m。4306 工作面為3#煤層四采區(qū)第二個(gè)回采工作面，南為4308 工作面采空區(qū)，北為4302 工作面（設(shè)計(jì)），東為四采區(qū)大巷，西為井田邊界，工作面布置如圖1。

圖1 巷道布置平面圖

三元煤業(yè)以往區(qū)段煤柱留設(shè)寬度為20～35 m，致使大量寶貴煤炭資源滯留井下，降低了工作面回采率。為此，礦方?jīng)Q定采用留窄煤柱沿空掘巷技術(shù)掘進(jìn)4306 運(yùn)輸順槽，窄煤柱寬度是影響沿空巷道施工效果和穩(wěn)定性的關(guān)鍵因素[1-3]，故有必要對(duì)煤柱合理寬度進(jìn)行研究。4306 運(yùn)輸順槽沿3#煤層底板掘進(jìn)，設(shè)計(jì)全長1 322.7 m，巷道斷面采用矩形，斷面尺寸為5300 mm×3150 mm（寬×高）。

2 沿空掘巷煤柱應(yīng)力分布及合理寬度分析

2.1 沿空掘巷煤柱彈塑性分區(qū)及應(yīng)力分布特征

沿空巷道護(hù)巷煤柱在左右兩側(cè)工作面采動(dòng)影響下，煤柱內(nèi)垂直應(yīng)力和彈塑性分區(qū)呈對(duì)稱性分布，煤柱兩側(cè)邊緣分布有一定范圍的破碎區(qū)，向內(nèi)為塑性區(qū)，中間部位為彈性核區(qū)[4]。當(dāng)煤柱寬度過小時(shí)，煤柱內(nèi)部無彈性核區(qū)，整個(gè)煤柱均發(fā)生塑性變形，極易受采動(dòng)影響而發(fā)生失穩(wěn)破壞。隨著煤柱寬度的增大，煤柱內(nèi)部彈性核區(qū)范圍增大，煤柱承載能力和穩(wěn)定性增強(qiáng)[5]。然而寬煤柱雖有利于維護(hù)沿空巷道穩(wěn)定，卻造成大量寶貴煤炭資源滯留井下，造成資源浪費(fèi)，降低工作面回采率[6]。

2.2 煤柱合理寬度理論計(jì)算

煤柱寬度過小導(dǎo)致應(yīng)力集中，煤柱整體發(fā)生塑性變形而喪失承載能力；煤柱寬度過大造成大量煤炭資源浪費(fèi)，降低工作面回采率[3-5]。因此，沿空巷道護(hù)巷煤柱的寬度應(yīng)大于極限平衡條件下區(qū)段煤柱的寬度。根據(jù)圍巖極限平衡理論建立煤柱最佳寬度計(jì)算模型如圖2，煤柱最佳寬度B為[2,6]：

圖2 煤柱最佳寬度計(jì)算模型

式中：x1為采空區(qū)側(cè)煤柱塑性區(qū)寬度，m；x3為錨桿有效長度，取2.0 m；x2為安全系數(shù)，取0.15（x1+x3）；m為上區(qū)段工作面巷高，取3.15 m；A為側(cè)壓系數(shù)，取0.33；φ為煤體內(nèi)摩擦角，取30°；H為巷道埋深，取煤層平均埋深376.5 m；k為應(yīng)力集中系數(shù)，取0.61；C0為煤體粘聚力，取0.24 MPa；CC為覆巖粘聚力，取3.36 MPa；γ為上覆巖層容重，38.83 t/m3；P0為上區(qū)段工作面支架阻力，此處取0。根據(jù)式（2）可解得煤柱采空區(qū)側(cè)塑性區(qū)寬度x1=3.21；繼而根據(jù)式（1）可解得煤柱最佳寬度B=6 m。

3 窄煤柱沿空掘巷數(shù)值模擬研究

3.1 數(shù)值模型建立

為驗(yàn)證理論計(jì)算所得煤柱最佳寬度為6 m 的合理性，基于4306 工作面工程地質(zhì)條件，采用FLAC3D數(shù)值模擬軟件建立三維數(shù)值計(jì)算模型，分別對(duì)寬度為2 m、4 m、6 m、8 m 和10 m 時(shí)，煤柱內(nèi)垂直應(yīng)力分布規(guī)律進(jìn)行分析。所建數(shù)值計(jì)算模型尺寸為150 m×110 m×50 m（長×寬×高），計(jì)算采用摩爾—庫倫準(zhǔn)則，模型左右邊界限制水平方向位移，模型下部邊界限制垂直方向位移，模型上部邊界施加6.5 MPa 的均布載荷以等效上覆巖層重力。模型邊界條件如圖3，數(shù)值模型中煤巖層物理力學(xué)參數(shù)見表1。

圖3 數(shù)值計(jì)算模型邊界條件

表1 煤巖層物理力學(xué)參數(shù)

3.2 不同煤柱寬度下巷道圍巖塑性區(qū)分布特征

不同煤柱寬度下巷道圍巖塑性區(qū)分布如圖4。由圖4 可知，不同煤柱寬度時(shí)，4306 運(yùn)輸順槽在沿空掘進(jìn)過程中圍巖破壞形式均以剪切破壞為主，且巷道頂?shù)装迤茐姆秶笥趦蓭汀．?dāng)煤柱寬度為2 m和4 m 時(shí)，整個(gè)煤柱均發(fā)生塑性變形破壞，此時(shí)煤柱已喪失承載能力。當(dāng)煤柱寬度增大至6 m 時(shí)，煤柱內(nèi)部開始出現(xiàn)約3 m 寬的彈性核區(qū)，說明此時(shí)煤柱已經(jīng)具備承受巷道掘進(jìn)所產(chǎn)生的超前支撐壓力的能力。當(dāng)煤柱寬度繼續(xù)增大至8 m 和10 m 時(shí)，煤柱內(nèi)部彈性核區(qū)寬度分別增大至5 m 和7.5 m，即當(dāng)煤柱寬度大于6 m 時(shí)，煤柱內(nèi)部彈性核區(qū)寬度隨煤柱寬度增加而增大，煤柱承載能力進(jìn)一步提高。綜合考慮煤柱穩(wěn)定性、工作面煤炭回采率和隔離采空區(qū)等因素，確定煤柱寬度為6 m 時(shí)最佳。

圖4 不同煤柱寬度下巷道塑性區(qū)分布云圖

4 工程實(shí)踐

4.1 巷道支護(hù)參數(shù)設(shè)計(jì)

基于4308 工作面回采巷道支護(hù)參數(shù)和沿空巷道非對(duì)稱變形特征，提出采用“錨網(wǎng)索”支護(hù)方案對(duì)4306 運(yùn)輸順槽進(jìn)行支護(hù)，支護(hù)參數(shù)如下：

頂板支護(hù)：頂板錨桿為Ф20 mm×2200 mm左旋無縱筋螺紋鋼錨桿，間排距為800 mm×1000 mm，每排布置7 根，其中兩肩窩錨桿與水平方向呈75°布置，中間5 根錨桿垂直于頂板布置，每根錨桿使用型號(hào)為MSK2335 和MSZ2360 樹脂錨固劑各1 支，錨固力不小于127 kN，預(yù)緊力矩不小于300 N·m。頂板金屬網(wǎng)采用10#鐵絲編制礦用金屬經(jīng)緯網(wǎng)，尺寸為5600 mm×1150 mm（長×寬），網(wǎng)孔尺寸50 mm×50 mm。錨索采用Ф18.9 mm×6300 mm 的1×7 股高強(qiáng)度低松弛預(yù)應(yīng)力鋼絞線，間排距為2400 mm×1000 mm，每排布置3 根，每根錨索使用1 支MSK2335 和2 支MSZ2360 樹脂錨固劑，錨固力不低于200 kN。

巷幫支護(hù)：煤柱幫采用Ф20 mm×2000 mm 左旋無縱筋螺紋鋼錨桿，實(shí)體煤幫采用Ф20 mm×2000 mm 玻璃鋼錨桿，間排距為700 mm×1000 mm，每排布置5 根，其中上下兩端錨桿與水平方向呈20°布置，中間3 根錨桿垂直于頂板布置，每根錨桿使用1 支MSZ2360 樹脂錨固劑。兩幫金屬網(wǎng)采用10#鐵絲編制礦用金屬經(jīng)緯網(wǎng)，尺寸為2800 mm×1150 mm（長×寬），網(wǎng)孔尺寸50 mm×50 mm。

4.2 巷道表面位移觀測與分析

為掌握4306 運(yùn)輸順槽留6 m 寬煤柱進(jìn)行沿空掘巷期間的巷道圍巖變形情況，在4306 運(yùn)輸順槽內(nèi)距掘進(jìn)迎頭50 m 和100 m 處分別設(shè)置巷道表面變形測站，采用“十字測點(diǎn)法”對(duì)巷道掘進(jìn)期間表面變形量進(jìn)行實(shí)時(shí)觀測[4]，觀測結(jié)果如圖5。

圖5 巷道圍巖表面變形量

由圖5 可知，1#和2#測站所觀測到的巷道表面位移量變化趨勢基本相同，在為期60 d 的觀測時(shí)期內(nèi)，巷道表面位移隨觀測時(shí)間呈現(xiàn)出先快速增大，后趨于穩(wěn)定的變化趨勢。在0～30 d 時(shí)，巷道頂?shù)装逡平亢蛢蓭鸵平吭鲩L速率較大，表明此階段內(nèi)巷道圍巖應(yīng)力因掘巷擾動(dòng)而喪失原有應(yīng)力平衡狀態(tài)，應(yīng)力釋放速度較快而導(dǎo)致巷道圍巖發(fā)生變形。在30 d 以后，巷道頂?shù)装逡平亢蛢蓭鸵平吭鲩L速率顯著降低，且逐漸趨于零，表明此時(shí)巷道圍巖應(yīng)力釋放逐漸減緩，新的應(yīng)力平衡狀態(tài)基本形成，巷道表面變形趨于穩(wěn)定。此外，巷道頂?shù)装逡平亢蛢蓭鸵平孔畲笾捣謩e為113.25 mm 和150.02 mm，表明4306 運(yùn)輸順槽留設(shè)6 m 寬煤柱進(jìn)行沿空掘巷施工，并采用“錨網(wǎng)索”支護(hù)后，巷道變形控制效果良好，為巷道順利施工和工作面安全回采提供了保障。

5 結(jié)語

基于4306 工作面工程地質(zhì)資料，對(duì)4306 運(yùn)輸順槽沿空掘巷護(hù)巷窄煤柱最佳寬度進(jìn)行分析，主要得到以下結(jié)果：

（1）基于對(duì)沿空掘巷煤柱彈塑性分區(qū)及應(yīng)力分布特征的分析，采用極限平衡理論計(jì)算出4306運(yùn)輸順槽護(hù)巷窄煤柱最佳寬度為6 m。

（2）采用FLAC3D數(shù)值模擬軟件，對(duì)比分析了不同煤柱寬度下巷道塑性區(qū)分布特征，指出煤柱寬度小于6 m 時(shí)，煤柱整個(gè)發(fā)生塑性變形，承載能力較低；煤柱寬度自6 m 開始，煤柱內(nèi)彈性核區(qū)寬度隨煤柱寬度增加而增大，綜合考慮煤柱穩(wěn)定性和工作面回采率，確定窄煤柱最佳寬度為6 m。

（3）4306 運(yùn)輸順槽采用留6 m 寬窄煤柱進(jìn)行沿空掘巷并進(jìn)行“錨網(wǎng)索”支護(hù)后，現(xiàn)場巷道表面位移觀測結(jié)果表明：巷道頂?shù)装搴蛢蓭拖鄬?duì)移近量最大值分別為113.25 mm 和150.02 mm，巷道圍巖變形得到有效控制。