钱营孜矿沿空掘巷窄煤柱留设及支护方案设计研究

李齐文,赵桃园,刘　宇（.皖北煤电集团钱营孜煤矿,安徽　宿州　34000；.中国矿业大学,江苏　徐州　000）

钱营孜矿沿空掘巷窄煤柱留设及支护方案设计研究

李齐文1,赵桃园1,刘宇2
（1.皖北煤电集团钱营孜煤矿,安徽宿州234000；2.中国矿业大学,江苏徐州221000）

摘要:沿空掘巷能够提高煤炭采出率,减少资源浪费,因而被我国煤矿广泛采用。本文以钱营孜矿W3226工作面机巷为研究对象,通过理论分析、数值模拟并结合现场条件确定了该沿空巷道的煤柱宽度和支护方案,最后在现场进行了工程实践，取得了良好的经济技术效果，研究结果对本矿后续工作面沿空掘巷具有重要指导意义。

关键词：沿空掘巷；数值模拟；围岩控制；工程实践

1　工程概况

钱营孜矿W3226工作面为西二采区第二个工作面,该工作面机巷拟采用沿空掘巷技术。巷道断面采用矩形，其宽高4.8m×3m。巷道平均埋深540m，所在煤层平均煤厚3.57m，煤层平均倾角12，顶底板岩性以泥岩为主，次为粉砂岩和细砂岩。

2　沿空掘巷围岩结构分析

沿空掘巷是在上区段采空区顶板活动稳定后沿采空区边缘通过留设窄煤柱掘进巷道，研究表明在工作面回采过后其上覆老顶呈“O-X”形式破断，在工作面端头处破断的老顶岩块B在煤体和采空区矸石的支承作用下与未破断的老顶岩块A及采空区已断裂的岩块C相互铰接形成“弧形三角块”大结构，沿空巷道就是从该大结构下掘进的。

上工作面回采过后在两侧实体煤处形成应力降低区、应力增高区和原岩应力区，沿空掘巷就是在弧形三角块大结构形成的应力降低区掘进的。沿空巷道的直接顶、底板、窄煤柱以及实体煤帮形成了巷道围岩小结构。巷道掘进不会对大结构造成影响，但巷道围岩小结构在应力作用下会不断发生蠕变，因而沿空掘巷的关键就在于保持巷道围岩小结构的稳定。

3　窄煤柱宽度设计

沿空掘巷中窄煤柱的宽度至关重要,窄煤柱过宽会使巷道处于侧向支承应力峰值下部,造成巷道变形过大,窄煤柱过窄必然造成破碎区过多不利于窄煤柱的稳定。合理的煤柱宽度既有利于巷道围岩控制又不会对安全生产造成影响。本次以理论计算为基础，通过数值模拟并结合工程实践最终确定窄煤柱的合理宽度。

（1）理论计算。根据极限平衡理论,窄煤柱宽度B可以按下述公式计算。

式中：x1—上区段工作面开采引起的破碎区宽度；

x2—窄煤柱帮锚杆有效长度，暂取为2.50m；

x3—煤柱稳定性系数，取0.2（x1+x2）；

代入相关数据的得出窄煤柱合理宽度为B=5.5m

（2）数值模拟。模拟采用FLAC3D软件，以钱营孜矿W3226工作面机巷为模拟对象，所用煤岩物理力学参数如表1所示。模型左右两边界和底边界固定，上边界自由，长、宽、高为300m×200m×200m,共划分10700个网格。

模拟方案以理论计算为基础，不同方案下煤柱宽度分别为4m、5 m、6m、7m，模拟过程中先将工作面开挖，待其运算稳定后再开挖巷道，通过观察围岩应力和塑性区分布来确定窄煤柱合理宽度。

表1　煤岩物理力学参数

经模拟结果得出，随着煤柱宽度的增加，巷道塑性区逐渐减小，其中4m、5m时窄煤柱塑性区较多，围岩变形较大,不利于巷道围岩小结构的稳定；6m、7m时煤柱有一定的弹性区，围岩变形较小,窄煤柱易于保持稳定，但留7m煤柱时候煤柱应力集中过大，巷道处于高应力状态下，其后期变形会过大，综合考虑确定采用6m宽煤柱较为合理,与理论计算基本吻合。

4　围岩控制方案及工程实践

（1）围岩控制方案。在留设合理宽度窄煤柱的基础上围岩控制方案就显得尤为重要,由于受上区段回采和掘巷扰动影响，沿空巷道围岩破碎区较大,掘后围岩长期发生蠕变,后期还要受本工作面回采影响,巷道围岩变形大,支护方案必须既能够控制又能够适应巷道围岩变形。

高强度锚杆支护能够阻止围岩裂隙的发展，提高围岩承载能力，同时可实现高阻让压以适应围岩变形。在锚杆支护的基础上采用小孔径预应力锚索补强支护，可形成以锚索为骨架，以锚杆为基础的围岩压应力场，显著提高围岩的整体性和承载能力，基于此原则提出如下支护方案：顶板采用Ф22×2400mm的左旋无纵筋螺纹钢锚杆，实体煤帮采用Ф20×2400mm的右旋全螺纹钢锚杆，间排距800mm×800 mm；窄煤柱帮布置5根Ф20×2500mm的右旋全螺纹钢锚杆，间排距700mm×800mm；每根锚杆配套2卷Z2370型中速树脂药卷加长锚固，顶板两帮均配套使用KTM型钢带进行联合支护。

补强支护：顶板中每隔2排锚杆布置一排锚索（即排距为1.6m），间距为2.4m，采用五花型布置。锚索规格为Φ17.8×6500mm，预紧力为100kN。

（2）工程实践。钱营孜矿按照6m宽窄煤柱和上述支护方案掘进W3226机巷，掘进及本工作面回采过程对其表面位移进行监测，监测结果表明巷道变形主要以两帮移近为主，巷道在掘后一个月内围岩变形速度较大，最大速度达15mm/d，一个月后巷道围岩变形速度较小，围岩处于蠕变状态。在本工作面回采期间，随着测站距离工作面越来越近巷道变形速度逐渐增大，回采影响范围为30m，掘巷及回采期间巷道两帮累计移近量180mm，顶底板累计移近量70mm，围岩变形处于可控范围内，不影响巷道正常使用，巷道不需要二次返修，表明煤柱宽度合理，支护方案可靠有效。

5　主要结论

（1）沿空巷道处于大结构保护之下，掘巷成功的关键在于留设合理宽度的煤柱和设计良好的支护方案；（2）结合钱营孜矿实际条件，通过理论计算和数值模拟得出6m宽的煤柱最为合理；（3）依据三高一低原则，提出了在锚杆支护的基础上采用小孔径锚索补强支护方案，按照此方案进行了工程实践，结果表明巷道围岩变形可控，变形后不影响巷道正常使用，验证了煤柱宽度和支护方案的合理性。

参考文献：

[1]矿山压力与岩层控制[M].中国矿业大学出版社,2003.

[2]钱鸣高,缪协兴.采场“砌体梁”结构的关键块分析[J].煤炭学报,1994,19(06):557-563.

[3]综放沿空掘巷围岩稳定控制原理与技术[M].中国矿业大学出版社,2008.

作者简介:李齐文（1987-）,男,安徽淮北人，学士，助理工程师，研究方向：矿山压力及岩层控制方面。