下霍煤礦2305 回風順槽小煤柱沿空掘巷圍巖控制技術研究

楊 潔

（山西三元煤業股份有限公司下霍煤礦，山西 長治 046000）

窄煤柱沿空掘巷作為一種在上區段工作面回采完畢覆巖穩定后，沿上區段采空區邊緣留設寬度較小的煤柱掘進巷道的技術[1-3]，憑借可降低區段煤柱損失、提高煤炭回采率和有效隔絕上區段采空區等優點，近年來在我國各大礦區得到廣泛應用[4-6]。煤柱寬度和支護參數是沿空掘巷圍巖穩定的關鍵影響因素，也是學者專家關注的焦點問題[7-8]。下霍煤礦以往區段煤柱留設寬度為20～30 m，煤柱損失高，采區回采率低，為提高回采率，決定對2305 回風順槽采用留窄煤柱沿空掘巷的布置方式。2305 回風順槽鄰近的2303 工作面已回采完畢且覆巖垮落穩定，為確保沿空掘巷圍巖穩定，采用理論計算、數值模擬和現場實測的方法確定了煤柱合理寬度為8 m，提出了“錨網索”+煤柱幫錨索補強支護方案并進行了參數設計，為類似工程地質條件回采巷道采用沿空掘巷技術提供了借鑒。

1 工程概況

下霍煤礦3 號煤層厚度為3.68～5.33 m，平均厚度為4.80 m；傾角為0°～10°，平均傾角為5°；埋深為495～534 m，平均埋深為514 m。直接頂為厚2.75 m 的泥巖，基本頂為厚7.10 m 的細粉砂巖，直接底為厚1.12 m 的泥巖，基本底為厚3.40 m 的細粒砂巖。2305 回風順槽位于3 號煤層二采區，設計長度為1884 m，采用矩形斷面，斷面尺寸為5600 mm×4000 mm（寬×高）。巷道東側為2303工作面采空區，西側為實體煤，南側為西翼回風大巷，北為井田邊界。2305 回風順槽布置情況如圖1。

圖1 巷道平面布置圖

2 沿空巷道小煤柱合理寬度理論分析

2.1 沿空圍巖結構及變形特征分析

由弧形三角塊結構力學模型知，沿空掘巷頂板覆巖弧形三角塊結構如圖2[1,6]。由圖2 可知，隨著上區段工作面不斷推進，巷道采空區側頂板懸空長度逐漸增大，當頂板懸空長度達到極限垮距時發生“O-X”型破斷[3-5]。此時工作面端頭處破斷后的頂板懸露長度較短，形成懸臂梁結構，受覆巖壓力等影響懸臂梁發生回轉、下沉，從而促使基本頂在側向煤體深部發生破斷而形成弧形三角塊體B。弧形三角塊體B 前后兩端分別與塊體A 和塊體C 鉸接，形成“三鉸拱”結構[7-8]，即留小煤柱沿空掘巷的頂板大結構，如圖3。

圖2 沿空掘巷頂板結構示意圖

圖3 煤柱寬度計算模型

2.2 小煤柱合理寬度計算

留小煤柱沿空掘巷時，小煤柱先后受上區段工作面回采和本區段沿空巷道掘進擾動影響，在煤柱兩側均形成一定范圍的塑性破壞區。由極限平衡理論知，煤柱具備足夠承載能力且能保持穩定的合理寬度為煤柱兩側允許有一定寬度的塑性破壞區X1和X3，且煤柱內部同時具有一定寬度的彈性核區X2，即煤柱合理寬度B為其兩側塑性破壞區寬度與內部彈性核區寬度之和，如圖3 所示。煤柱合理寬度可根據極限平衡經驗公式計算[4-7]：

式中：X1為采空區側煤柱塑性破壞區寬度，m；X2為煤柱彈性核區寬度，m；X3為巷道側煤柱塑性破壞區寬度，即錨桿有效支護長度，取2.2 m；m為工作面采高，取4.80 m；A為側壓系數，取0.47；φ0為內摩擦角，取30°；K為應力集中系數，取1.2；γ為上覆巖層平均容重，取24.63 kN/m3；H為工作面埋深，取514 m；C0為內聚力，取0.98 MPa；P0為支護阻力，取0。將數據分別帶入式（2）和式（3）解得X1=4.49，X2=1.00～2.34 m，進而帶入式（1）可求得煤柱合理寬度B=7.69～9.03 m。

3 小煤柱合理寬度數值模擬研究

3.1 模型建立及模擬方案

根據2305 回風順槽實際工程地質資料，利用FLAC3D數值模擬軟件建立尺寸為200 m×120 m×60 m（長×寬×高）的數值計算模型。采用摩爾-庫倫屈服準則，模型四周界面固定水平方向位移，底部界面固定垂直方向位移，上部界面施加12.66 MPa 均布載荷等效上覆巖層重力（按照埋深514 m，上覆巖層平均容重24.63 kN/m3計算）。煤層及頂底板巖層物理力學參數見表1。

表1 煤巖層物理力學參數

模擬方案：首先開挖2303 工作面，待2303 工作面開挖完畢且覆巖穩定后，分別沿2303 采空區留設4 m、6 m、8 m、10 m 和12 m 窄煤柱開挖2305 回風順槽，以分析不同煤柱寬度下煤柱內垂直應力及圍巖塑性區分布特征。

3.2 不同寬度煤柱內垂直應力分布特征

圖4 為不同寬度煤柱垂直應力分布曲線。由圖4 可知，隨距采空區側煤壁距離增大，不同寬度煤柱內垂直應力均先快速增大后快速減小，且煤柱內垂直應力峰值隨煤柱寬度的增加而增大。當煤柱寬度為4 m、6 m 和8 m 時，煤柱內垂直應力峰值分別為12.91 MPa、19.60 MPa 和24.43 MPa，增長幅度分別為51.82%和24.64%；當煤柱寬度增大至10 m 和12 m 時，煤柱內垂直應力峰值分別為26.40 MPa 和27.38 MPa，增長幅度分別為8.06%和3.71%。由此可見，煤柱寬度由4 m 增加至8 m 時，垂直應力峰值增長幅度較大，而煤柱寬度由8 m 增加至12 m 時，垂直應力峰值增長幅度顯著減小。這是由于4 m 和6 m 寬的煤柱承載能力不足以承載上覆巖層載荷，而寬度達到8 m 的煤柱的承載能力足以承載上覆巖層載荷，故導致煤柱寬度繼續增大至10 m和12 m，煤柱內垂直應力峰值隨煤柱寬度的增大而增長幅度較小的現象。

圖4 不同寬度煤柱垂直應力分布曲線

3.3 不同煤柱寬度下巷道圍巖表面位移分析

不同寬度煤柱下2305 回風順槽圍巖表面位移量數值模擬結果如圖5 所示。由圖5 可知，巷道表面位移量隨煤柱寬度增大而減小，且煤柱寬度由4 m 增加至8 m 時，巷道表面位移量隨煤柱寬度增大時的減小幅度較大；而煤柱寬度由8 m 增加至12 m時，巷道表面位移量隨煤柱寬度增大僅小幅度減小。表明4 m 和6 m 寬的煤柱承載能力較弱，在上覆巖層載荷作用下發生大變形而破壞；而當煤柱寬度大于8 m 時，煤柱承載能力足以支撐上覆巖層載荷，穩定性較好，對巷道維護的效果也更好。綜合考慮煤柱承載能力、煤炭回采率和礦山經濟效益，2305回風順槽進行沿空掘巷時，護巷小煤柱合理寬度為8 m。此外，不同煤柱寬度下巷道煤柱幫位移量均大于實體煤幫位移量，即沿空巷道具有非對稱變形特征，因此在對2305 回風順槽進行支護方案設計時應充分考慮巷道的非對稱變形特征。

圖5 不同煤柱寬度下巷道圍巖表面位移量

4 巷道支護設計及圍巖控制效果

4.1 巷道支護設計

結合下霍煤礦實際生產條件和2305 回風順槽的非對稱變形特征，提出了“錨網索”+煤柱幫錨索補強支護方案，支護斷面如圖6，參數如下：

圖6 巷道支護斷面設計圖（mm）

（1）頂板支護。頂板錨桿選用Ф22 mm×2400 mm 螺紋鋼錨桿，間排距為950 mm×1000 mm，每根錨桿配合使用型號為MSK2335 和MSZ2360 的樹脂錨固劑各一支。頂板錨索選用Ф21.6 mm×7000 mm 高強鋼絞線錨索，間排距為1400 mm×100 mm，每根錨索配合使用一支MSK2335 和兩支MSZ2360 型的樹脂錨固劑。W 鋼帶規格為5000 mm×280 mm×3 mm（長×寬×厚），金屬網規格為6000 mm×1200 mm（長×寬）。

（2） 巷 幫 支 護。 兩 幫 錨 桿 均 選 用 規 格為Ф22 mm×2400 mm 螺紋鋼錨桿，間排距為900 mm×1000 mm，每根錨桿配合使用型號為MSK2335 和MSZ2360 的樹脂錨固劑各一支。兩幫均采用16#鋼筋加工制成的2900 mm×60 mm（長×寬）的鋼筋托梁，金屬網規格為2900 mm×1200 mm（長×寬）。煤柱幫采用Ф21.6 mm×5300 mm 高強鋼絞線錨索進行補強支護，間排距為1600 mm×1000 mm，每根錨索配合使用一支MSK2335和兩支MSZ2360 型的樹脂錨固劑。

4.2 沿空掘巷效果分析

為掌握2305 回風順槽留8 m 寬護巷小煤柱沿空掘巷期間巷道圍巖變形情況，在距巷道開口50 m處布置1 組巷道圍巖位移測站，每隔200 m 布置一組測站，采用“十字測點法”對觀測巷道表面位移進行觀測。結果表明：2305 回風順槽頂底板和兩幫移近量最大值分別為162.48 mm 和206.37 mm，均在允許范圍內，巷道圍巖變形控制效果較好。

此外，相較于該礦以往留設20 m區段煤柱而言，2305 回風順槽采用留8 m 寬護巷小煤柱沿空掘巷技術后，可多回收煤炭資源約13 萬t，按照下霍煤礦現行原煤價格850 元/噸計算，可提高2305 工作面經濟效益約1.1 億元。

5 結語

（1）采用極限平衡理論經驗公式計算得到小煤柱合理寬度為7.69～9.03 m。

（2）數值模擬結果表明：煤柱寬度小于8 m 時，煤柱內垂直應力峰值和巷道表面變形幅度隨煤柱寬度增大的變化幅度較大；煤柱寬度大于8 m 時，煤柱內垂直應力峰值和巷道表面變形幅度隨煤柱寬度增大的變化幅度較小；確定了小煤柱最佳寬度為8 m，并指出2305 回風順槽具有非對稱變形特征。

（3）提出了“錨網索”+煤柱幫錨索補強支護方案。頂底板和兩幫移近量最大值分別為162.48 mm 和206.37 mm，巷道圍巖變形控制效果較好。