軟煤厚硬基本頂沿空掘巷煤柱寬度優(yōu)化與控制技術

呂風

（冀中能源股份有限公司 東龐礦，河北 邢臺 054201）

0 引 言

為實現煤炭資源的精采細采、減少資源浪費，沿空掘巷技術被我國煤礦廣泛采用[1-2]。但是由于其側向頂板結構和力學環(huán)境的特殊性，仍存在諸多限制與不足。其中，沿空掘巷合理煤柱寬度的選取及支護技術的深入研究，是該技術成功實施的難點與關鍵。

因此，針對上述難題，諸多學者對沿空掘巷窄煤柱及圍巖控制進行了大量研究。謝廣祥[3]等建立了適用于綜放開采及煤層存在明顯傾角條件下的煤柱力學模型，理論計算了煤柱極限強度發(fā)生位置；馮吉成等[4]通過數值模擬分析探究了巷道側煤柱塑性區(qū)分布以及不同尺寸煤柱采掘影響下巷道圍巖變形規(guī)律；張科學[5-6]通過研究獲得了確定沿空掘巷窄煤柱寬度的方法；楊科等[7]就煤柱留設位置相對于工作面的方位以及煤柱寬度這兩個影響因素，對巷道穩(wěn)定性的影響進行了探析；蔣威等[8]研究了厚硬基本頂綜放沿空巷道的覆巖應力分布特征及受載變形機制。

專家學者針對沿空掘巷煤柱寬度優(yōu)化及支護技術開展了諸多有益研究，本文以上述研究為基礎，對東龐礦21221 工作面煤柱的合理寬度尺寸及軌道巷支護方案進行了研究，并開展現場工業(yè)化試驗。

1 概 況

東龐礦21221 工作面井下位置位于-480 水平第十二采區(qū)，其地面標高為93.0—102 m，工作面標高約為-450—-517 m。工作面西北到已回采完畢的21219 工作面，現沿21219 采空區(qū)下側留設窄煤柱，并沿2 號煤層頂板掘進21221 軌道巷。2 號煤是主采煤層，煤層平均厚度和平均傾角分別為4.9 m 和4°，含1 層夾矸，夾矸厚度約為0.8 m，2 號頂底板巖性及其柱狀圖如圖1 所示。

圖1 2 號煤層頂底板巖性及其柱狀圖Fig.1 Roof and floor lithology of No.2 coal seam and its histogram

2 沿空掘巷煤柱寬度合理尺寸理論研究

2.1 基于“內外應力場”的沿空掘巷窄煤柱寬度分析

沿空掘巷窄煤柱應布置在采空區(qū)煤體邊緣支承壓力減壓區(qū)內，避開支承壓力高應力區(qū)的影響，以減小巷道變形與提高巷道支護系統(tǒng)的穩(wěn)定性。當基本頂巖梁斷裂并穩(wěn)定后，支承壓力區(qū)分布將以斷裂線為界分為2 個部分[9]，即寬度為S1的“內應力場”和寬度為S2的“外應力場”，其中“內應力場”由斷裂巖梁的自重所決定，“外應力場”由整個上覆巖層的重量所決定。根據“內外應力場”理論，得到內應力場寬度表達式為：

式中：K0為頂板斷裂線附近已處于塑性狀態(tài)的煤體剛度，Pa；x0為煤壁煤體的平均壓縮量，m；q0為基本頂上覆載荷，MPa；γ 為基本頂巖層平均容重，kN/m3；d為基本頂厚度，m；l為工作面長度，m；σt為基本頂抗拉強度，MPa。

要保證巷道及煤柱均處在減壓區(qū)域內，須使得窄煤柱與沿空巷道的寬度相加所得到的結果小于等于S1，所以有：

將工作面相關參數代入得到“內應力場”寬度為12.6 m，由于巷道寬度為4.5 m；因此煤柱的寬度應小于8.1 m。

2.2 基于塑性分區(qū)的窄煤柱寬度分析

煤柱受上工作面回采、沿空巷道掘進影響，兩側將會存在一段破壞區(qū)，為了保護巷道和煤柱自身的穩(wěn)定性，護巷煤柱不能太窄，如圖2 所示。煤柱寬度的計算表達式為[10]：

圖2 窄煤柱彈塑性區(qū)寬度計算模型Fig.2 Elastic-plastic zone width calculation model of narrow coal pillar

式中：X1為受上工作面回采影響而產生的靠近采空區(qū)一側的煤柱破壞區(qū)寬度；X2為煤柱中間具有支撐能力的彈性核區(qū)的寬度，取（X1+X3） 30%～50%；X3為沿空巷道掘進后靠近巷道側煤柱破壞區(qū)的寬度。

區(qū)段煤柱左側塑性區(qū)寬度X1為：

式中：h為煤層賦存厚度，m；λ 為側壓系數；φ0為煤層內摩擦角，（°）；k為應力集中系數；γ 為巖層的平均容重，kN/m3；H為巷道埋深，m；C為煤層內聚力，MPa；P0為巷道支護阻力，MPa。

區(qū)段煤柱右側塑性區(qū)寬度X3為：

式中：a為半圓形巷道半徑，m；η 為修正系數；k為應力集中系數；γ 為巖層的平均容重，kN/m3；H為巷道埋度，m；C為煤層內聚力，MPa；φ0為煤層內摩擦角，（°）；P1為巷道受到的支護阻力，MPa。

根據東龐礦軟碎煤層的特定地質條件，將工作面及巷道相關參數帶入公式可得，上區(qū)段工作面采空區(qū)側煤柱破壞區(qū)域寬度X1為2.1 m，巷道側煤柱破壞區(qū)域寬度X3為1.7 m，根據公式X2=（30%～50%） （X1+X3） 計算得出X2取值范圍為1.14~1.9 m。則得到護巷煤柱寬度至少應大于4.94 m。

3 沿空掘巷窄煤柱合理寬度數值分析

3.1 模型建立與模擬方案

FLAC3D 三維建模的地層參數均以工作面的實際地質條件為基準，建立21221 工作面的FLAC3D數值計算模型，模型尺寸為：x×y×z= 200 m×300 m×90 m。模型采（掘） 順序為：上工作面—21221 軌道巷—21221 工作面。

3.2 應力分布特征及轉移規(guī)律

當煤柱寬度不同時，得到21221 工作面軌道巷掘進期間圍巖垂直應力分布云圖，如圖3 所示。

圖3 不同煤柱寬度下圍巖垂直應力分布云圖Fig.3 Vertical stress distribution nephogram of surrounding rock under different coal pillar widths

（1） 巷道頂底板圍巖應力狀態(tài)基本不隨煤柱寬度變化而變化，不同煤柱寬度的頂底板應力均處于大范圍低應力狀態(tài)，且近似呈對稱分布。

（2） 不同煤柱寬度下的煤柱側和實體煤幫側深部均存在應力集中現象，隨著煤柱寬度增加，煤柱側的應力集中程度也會增加，而實體煤幫側應力集中程度減弱。

（3） 煤柱寬度為3～5 m 時，應力集中現象在實體煤幫側較明顯，煤柱內受力較弱，導致巷道發(fā)生嚴重的內擠變形；煤柱尺寸為7～9 m 時，煤柱受力增強，煤柱對頂板的支撐起到重要作用，可以保證巷道圍巖及煤柱的穩(wěn)定。

（4） 煤柱尺寸為11～13 m 時，應力集中現象在煤柱側更明顯，應力峰值逐漸增大，應力峰值區(qū)范圍逐漸擴大，而在實體煤幫側恰好相反，此時，煤柱內的高應力集中狀態(tài)不利于控制沿空巷道圍巖變形。

3.3 不同煤柱寬度塑性區(qū)分布特點

當煤柱寬度不同時，得到21221 工作面軌道巷掘進期間圍巖塑性區(qū)分布云圖，如圖4 所示。

圖4 不同煤柱寬度21221 軌道巷圍巖塑性區(qū)分布云圖Fig.4 surrounding rock plastic zone distribution nephogram of No.21221 track roadway under different coal pillar widths

（1） 不同煤柱寬度下的巷道圍巖均處于剪切塑性狀態(tài)，且圍巖處于塑性狀態(tài)的范圍會隨著煤柱寬度的增加而減小。

（2） 煤柱寬度為3～5 m 時，受上工作面開采和巷道掘進影響，巷道圍巖及煤柱均發(fā)生范圍較廣的剪切塑性破壞，且煤柱幫及巷道頂板發(fā)生顯著內擠變形。

（3） 煤柱尺寸為7～9 m 時，煤柱上方及巷道頂板塑性區(qū)明顯減小并出現彈性核區(qū)，在此情況下對巷道頂板施打錨桿索，錨索將能夠錨固在巖體的彈性區(qū)中，能較大程度地發(fā)揮錨固效果。

（4） 煤柱尺寸為11~13 m 時，煤柱內塑性破壞巖體開始變?yōu)閺椥詭r體，煤柱內會出現彈性核區(qū)，煤柱破壞程度明顯減少，但較寬煤柱尺寸將導致浪費大量煤炭資源。

綜合上述分析可知，合理的煤柱寬度應該在7～9 m，不僅能夠充分發(fā)揮錨桿索的支護效果和煤柱的承載作用，保障巷道的穩(wěn)定性，還能減少煤柱寬度，增加資源回收率。

3.4 窄煤柱合理寬度綜合確定

應用內外應力場及極限平衡區(qū)理論，并結合煤柱塑性區(qū)分布特征及圍巖垂直應力分布的特點，同時兼顧工程類比與經濟效益，綜合確定煤柱的寬度為7 m。

4 軟煤厚硬基本頂沿空掘巷圍巖穩(wěn)定性控制技術

4.1 圍巖支護方案

依據以上理論分析及數值模擬研究結果分析，并結合礦方的實際地質條件及現場工程實踐經驗，最終確定東龐礦2 號煤層21221 軌道巷采用“高強錨桿（索） 槽鋼桁架網”的聯合支護方案。

21221 軌道巷頂錨索采用φ21.8 mm×8 500 mm，用兩道槽鋼錨索順巷邁步交叉式布置，距巷中1 000 mm 各布置一道，間排距為2 000 mm×2 400 mm；頂錨桿使用φ22 mm×2 400 mm 高強度左旋無縱肋螺紋鋼錨桿，間排距為800 mm×800 mm；幫錨索使用順巷槽鋼錨索，規(guī)格為φ21.8 mm×6 500 mm，其間排距為1 200 mm×2 400 mm；幫錨桿使用規(guī)格為φ20 mm×2 400 mm 全螺紋鋼錨桿，其間排距800 mm×800 mm，槽鋼長度均為3 000 mm。在巷道頂板及巷道兩幫鋪設規(guī)格為1 m×4 m菱形金屬網，金屬網平行巷道中心線鋪設，每間隔200 mm 用12 號鐵線擰緊。具體支護如圖5 所示。

圖5 21221 工作面軌道巷支護示意Fig.5 Support of No.21221 track roadway

4.2 礦壓監(jiān)測及結果分析

為了解沿空掘巷圍巖的礦壓顯現狀況及支護結構的變形特征，在該工作面回采階段，布置測站監(jiān)測巷道圍巖表面的變形量，如圖6 所示。

圖6 巷道圍巖表面位移監(jiān)測曲線Fig.6 Surface displacement monitoring curve of roadway surrounding rock

受該工作面回采引起的超前支撐壓力作用，巷道表面變形量明顯增大，且隨著與工作面間距離的增加，巷道圍巖表面變形量逐漸減小，巷道圍巖的大部分變形形成于距工作面45 m 范圍內。同時還可以看出，煤柱側、實體煤側、煤柱側頂板、實體煤側頂板4 個監(jiān)測點中變形量最大的為煤柱側292 mm、最小的為實體煤側頂板236 mm。綜上分析，巷道支護后圍巖變形量在可控范圍內，巷道斷面滿足使用要求。

5 結 論

（1） 由理論分析計算得到內應力場寬度為12.6 m，受上工作面回采影響而產生的靠近采空區(qū)側的煤柱破壞區(qū)域寬度為2.1 m，受沿空巷道掘進影響而產生的靠近巷道側的煤柱破壞區(qū)域寬度為1.7 m，理論計算出窄煤柱的合理寬度范圍為4.94~8.1 m。

（2） 數值分析計算得到合理的煤柱寬度應該在7～9 m，該煤柱寬度范圍不僅能夠充分發(fā)揮錨桿索在頂板中的支護效果，維持巷道圍巖穩(wěn)定，還避免了留設更寬煤柱造成的煤炭資源浪費。

（3） 采用7 m 窄煤柱寬度及“高強錨桿（索）槽鋼桁架網”聯合支護技術后，在該工作面回采期間，巷道圍巖變形量在可控范圍內，實現了對軟煤厚硬基本頂沿空掘巷圍巖的有效控制。