綜采沿空掘巷煤柱尺寸分析及支護技術

劉國忠

（山西煤炭運銷集團呂梁有限公司，山西 孝義 032300）

煤炭為不可再生能源，提高煤炭資源回采率，不僅能夠提升礦井經濟效益，同時對我國的能源安全意義重大。無煤柱、小煤柱開采近年在各大礦區廣泛開展，取得了良好的經濟和社會效益[1-3]。

1 工程概況

錦瑞煤業主采8 號煤層，厚度平均3.2 m，傾角0～8°，平均4°。8 號煤層一般無偽頂和直接頂（局部發育泥巖直接頂），基本頂巖性為L1 石灰巖，厚度平均5～10 m 左右；底板巖性為泥巖和砂質泥巖互層，厚度平均4.50 m。8 號煤層上部47.17 m為5 號煤層，已采空，下部8.23 m 為9 號煤層，未開采。8107 綜采工作面北部、西部均為礦井邊界線，南部為8105 綜采工作面，東部為8101 首采工作面。為提高礦井資源回收率，推廣小煤柱開采技術，在8107 工作面運輸順槽采用小煤柱護巷，順槽長741 m，巷寬5.2 m，巷高3.2 m。8107 面布置情況如圖1。

圖1 8107 工作面布置示意圖（m）

2 小煤柱護巷支護設計

2.1 煤柱寬度分析

護巷煤柱的最小寬度可采用極限平衡理論和彈塑性理論相結合進行計算[4-5]，如圖2 所示。護巷煤柱最小寬度B為：

圖2 最小護巷煤柱寬度

式中：x1為上區段工作面開采在本煤柱中產生的塑性區寬度，m；x2為巷道掘進塑性區半徑，考慮15%的富裕，m；x3為安全需要增加的煤柱寬度，x3=（0.15～0.35）（x1+x2）。

在采動應力作用下，煤柱邊緣出現塑性破壞，其承載能力較?。欢畈棵后w完整性好，承載能力較高，支承壓力向深部轉移。根據極限平衡理論，在煤柱內必然存在一個位置，煤柱承載能力和采動支承壓力相當，則為極限平衡狀態，由此可計算得到塑性區寬度x1為：

式中：m為上區段平巷高度，3 m；α為煤層傾角，6°；A為側壓系數，A=μ/（1-μ），μ為泊松比，取0.4；k為應力集中系數，3.2；H為埋深，300 m；φ0為煤體內摩擦角，取20°；C0為煤體粘結力，取3.43 MPa；γ為巖層平均體積力，取25 kN/m3；p0為上區段平巷支護結構對下幫的支護阻力，0.2 MPa。

代入式（2）計算得到：x1=2.16 m。

采用彈塑性理論，可確定巷道塑性區半徑x2。

式中：R1為塑性區半徑，m；R0為井巷等效半徑，2.4 m；φ0為煤的內摩擦角，20°；pi為留巷支護結構對上幫的支護阻力，0.2 MPa；ST為原巖應力。

將數據代入式（3）和（4）得出：R1=2.78 m，x2=1.15（R1-R0）=0.207 m。由此計算得到B=2.722～3.195 m。結合工程經驗，取8107 工作面沿空巷道的小煤柱寬度為6 m。

2.2 巷道支護設計

8107 工作面北部為礦界，共40 m 保護煤柱，另一側已經采空；其南面為正在回采的8105 面。在進行支護設計時，應考慮8107 工作面孤島工作面的礦壓，采用工程類比法，8107 面運輸順槽支護設計應在8105 運輸順槽的基礎上加強支護。綜合確定8107 面運輸順槽采用錨網索聯合支護，巷道遇破碎帶、構造等條件較差時，應增加支護強度，降低錨桿索間排距，并鋪設頂板護表金屬網（巷道支護如圖3）。具體參數如下：

圖3 8107 工作面運輸順槽支護設計圖（mm）

（1）巷道頂板采用高強錨桿，直徑20 mm，長2000 mm，間距1300 mm，排距為1000 mm；采用2 根MSK2560 樹脂錨固劑；150 mm×150 mm×10 mm 平板托盤；配套W220 鋼帶或Ф14 mm 鋼筋梯；預緊扭矩不低于400 N·m；延伸率≥15%。

（2）巷幫錨桿型號參數與頂板一致，間距為900 mm，排距為1000 mm；采用2 根MSK2560 樹脂錨固劑；鉆頭Ф28 mm；150 mm×150 mm×10 mm 平板托盤；配套W220 鋼帶或Ф14 mm 鋼筋梯；預緊扭矩不低于400 N·m；延伸率≥15%。

（3）頂板采用直徑18.9 mm、長6300 mm 錨索補強，掘進時錨索“三花”布置，間距1500 mm，排距2000 mm；回采時在一根錨索處補打兩根錨索，間距1500 mm，形成“五花”布置；采用3 根MSK2560 樹脂錨固劑；300 mm×300 mm×16 mm 平板托盤；預緊力不低于150 kN；破斷強度≥1770 MPa；破斷力≥300 kN；延伸率≥3.5%。

（4）煤柱側巷幫采用直徑18.9 mm、長4300 mm 錨索補強，排距為2000 mm，與頂板垂距1600 mm；采用3 根MSK2560 樹脂錨固劑；300 mm×300 mm×20 mm 平板托盤；預緊力不低于150 kN；破斷強度≥1770 MPa；破斷力≥300 kN；延伸率≥3.5%。

3 沿空巷道礦壓數值模擬分析

3.1 8105 工作面礦壓規律

采用數值模擬對8105 工作面回采前后的礦壓規律進行分析。

（1）8105 工作面回采前

8105 運輸巷兩側礦壓顯著影響范圍距離巷道壁0～15 m，最大值近似為巷道直徑的2.9 倍，垂直應力峰值位置距巷道壁7 m 左右；8105 工作面運輸巷一側的8107 面沿空巷區域，在8107 沿空巷開掘以前受8105 運輸巷影響，該區域垂直應力為7.5～9.0 MPa，為原巖應力的1.04～1.23 倍。

（2）8105 工作面回采后

8105 工作面前方其運輸巷道一側的影響范圍為18 m，工作面前方支承壓力峰值位于工作面前方25 m 左右；8105 回采面推進方向，距離回采面0～17 m 受回采面引起的超前支承壓力影響較大，該范圍內垂直應力介于7.3～18 MPa，靠近回采面3 m 范圍內壓力高達18 MPa；17～47 m 范圍內存在30 m 左右的低壓區，壓力范圍6.0～7.2 MPa，最大降低幅度16.7%；47 m 以外區域受回采面超前支承壓力影響較小，應力場分布基本穩定，其應力垂直分量約為7.3 MPa；8105 工作面上覆巖層隨著工作面推進出現周期性垮落，覆巖逐漸穩定，上覆巖層對8107沿空巷道的影響逐漸減小，8105 工作面基本頂周期來壓步距約20 m 左右，小煤柱應力最終穩定在18 MPa 左右。

3.2 未受采動影響沿空巷道礦壓規律

數值分析可知：（1）8107 運輸順槽采用6 m寬護巷煤柱時，巷前垂直應力約為8 MPa，處于低應力區；（2）8107 運輸順槽掘進對迎頭前方20 m 范圍的應力分布產生了影響，前方應力集中系數為1.2，迎頭后方9 m 范圍應力分布穩定，不受掘進影響；（3）8107 運輸順槽掘進對回采側巷幫影響范圍為13 m，達到巷道寬度的2.5 倍；（4）8107 運輸順槽未掘進時，小煤柱區域垂直應力約為8 MPa，巷道掘進后應力重新分布，小煤柱垂直應力約為12～13 MPa，垂直應力最大升高幅度為62.5%。如圖4。

圖4 沿空巷掘進頭后方巷道斷面豎直應力場分布

3.3 圍巖控制效果

對沿空巷道圍巖變形進行模擬分析，由靜載荷引起的巷道水平位移和垂直位移凈增量不超過50 mm。由此可見，采用該支護方案時巷道圍巖變形較小，能夠實現巷道圍巖穩定。

4 應用效果

8107 工作面運輸順槽掘進后，進行頂板離層、圍巖變形以及圍巖結構觀測，局部區域由于煤體破碎、節理裂隙發育、巷道圍巖變形相對較大，對巷道頂板進行了錨索補強，形成“四三”布置，并對破碎煤柱進行注漿加固。

為分析采動應力作用下小煤柱沿空巷道圍巖穩定性，對8105 工作面回采期間沿空巷道頂底板移近量和兩幫收縮量進行觀測分析。采用6 m 寬護巷煤柱和以上支護參數，能夠實現采動作用下沿空巷道圍巖穩定，巷道頂底板最大移近量214 mm，兩幫最大收縮量482 mm，滿足巷道安全使用要求。