极近距离煤层采空区下留小煤柱沿空掘巷技术研究

霍林鹏

(霍州煤电集团吕梁山煤电有限公司 木瓜煤矿，山西 方山 033100)

1 工程概况

吕梁山煤电有限公司木瓜煤矿位于山西省吕梁市木瓜村以北，目前正在进行10号煤层的采掘工作，10号煤层为复杂结构煤层，煤层倾角4～8°，平均6°，煤层厚2.3～3.4 m，平均厚2.95 m。10号煤层的10-100工作面目前处于准备阶段，盖山厚度227～424 m。地面标高1 225～1 335 m，工作面标高927～988 m。工作面位于一采区准备巷道左翼，上部为9-104、9-106采空区；工作面以东为实体煤(10-101工作面)；以南为南区实体煤，紧邻一采区边界；以西为正在进行回采的10-102工作面；以北为一采区三条大巷。通风方式为U型通风。工作面布置如图1所示。巷道沿10号煤层顶板掘进，掘进区域与上部9号煤层间距为1～8 m，平均4.5 m，采掘区域南部切巷附近层间距较薄，约1～2 m；向北部巷口方向层间距逐渐增加到7～8 m。木瓜煤矿工作面开采原设计区段煤柱为20 m，由于目前沿空掘巷技术的成熟，设计10号煤层改为留小煤柱沿空掘巷进行开采。但因为10号煤层与9号煤层层间距较小，10-100工作面顶板在9-104、9-106工作采动影响下破碎严重，因此需对沿空掘巷开采方式的可行性进行分析，并设计合理的护巷煤柱和巷道支护形式。

图1 10-100工作面采掘工程平面

2 煤柱合理宽度研究

2.1 煤柱合理宽度的理论分析

通过以往对窄煤柱沿空掘巷顶板压力状况的分析和总结，在确保巷道围岩变形量不会太大的前提下，提出应用以下公式进行煤柱宽度的计算[1]：

Z=Z1+Z2+Z3

(1)

式中：Z为煤柱宽度，m；Z1为临近工作面采空区侧煤岩体塑性区的宽度，m；Z2为煤柱稳定系数，按照经验取(0.20～0.4)(Z1+Z3)；Z3为锚杆有效长度，取1.8 m。

其中Z1通过下式计算得出：

(2)

式中：m为煤层平均厚度，取2.95 m；C0为煤层的粘聚力，取2.79 MPa；φ0为内摩擦角，取28°；K为应力集中系数，其取2.0；A为侧压系数，根据泊松比计算为0.64；γ为上覆岩层体积力，取0.025 mN/m3；H为工作面平均埋深，取378 m。

根据式(2)及10-100工作具体的参数，计算可知Z1=3.68 m，Z2=1.09～2.19 m，Z3=1.8 m，从而计算得出10-100运输沿空掘巷小煤柱的合理宽度为7.67 m。

2.2 沿空巷道受力数值模拟与煤柱尺寸优化

为合理确定10-100运输巷沿空掘巷煤柱的宽度，以木瓜煤矿10-100工作面为工程背景，利用FLAC3D软件进行数值模拟[2-3]，研究不同宽度煤柱条件下，巷道围岩的受力情况，据此设计合理的煤柱宽度。建立数值模型尺寸为：长×宽×高=200 m×100 m×110 m，10-100工作面平均埋深为378 m，10-100运输巷断面尺寸为：宽×高=4 m×3 m，模型边界条件：水平方向均为固定边界条件，竖直方向在下部为固定边界，上部为自由边界，施加垂直应力，上覆岩层简化为7.5 MPa的均布载荷。模拟方案：预留煤柱宽度分别为4 m、6 m、8 m、10 m，在不同煤柱宽度条件下模拟工作面的开采，观察巷道水平方向20 m范围、竖直方向9 m范围内围岩的位移情况。模拟结果如图2、图3所示。

图2 不同煤柱宽度最大主应力分布云图

由图2可以看出，当煤柱宽度为4 m时，煤柱内最大主应力为7.3 MPa，应力集中的范围较小；随着煤柱宽度的增加，煤柱内最大主应力逐渐增大，煤柱宽度增加到8 m时，煤柱内最大主应力增加至21.5 MPa，略小于原岩应力(25 MPa)；当煤柱宽度增加至10 m时，煤柱内最大主应力达到30.7 MPa，且应力集中的范围较大；为使煤柱避开侧向支承压力的峰值区，煤柱宽度在7～9 m之间较为合理。

由图3可知，随着煤柱宽度的增大，沿空巷道顶板及煤柱上覆岩层的垂直位移逐渐减小，煤柱宽度由4 m变为6 m时，顶板垂直位移由1 178 mm减小为842 mm，减小值为336 mm；煤柱宽度由6 m增加至8 m时，顶板垂直位移由842 mm减小为639 mm，减小值为203 mm；煤柱宽度由8 m增加至10 m时，顶板垂直位移由639 mm减小为537 mm，减小值为102 mm；由此可知，适当增加煤柱的宽度，能够提高巷道顶板和煤柱的稳定性，但是增长的趋势越来越小，从经济方面考虑，10-100运输巷煤柱宽度设计为8m比较合理。

3 沿空巷道支护效果模拟分析

10-100运输巷断面为矩形，目前常见的支护方式有锚网喷、锚杆+注浆支护和锚网梁联合支护等[4]，不同的支护方式适合不同的围岩条件。10-100运输巷在10-100工作面回采后就能够垮落，采用FLAC3D数值模拟软件，模拟锚网梁、锚网喷、锚注支护不同支护条件下进行工作面的回采，观察巷道围岩的受力状况。锚网梁支护：锚杆采用D20 mm×2 500 mm的左旋螺纹钢锚杆，顶板每排布置7根，间排距为600 mm×900 mm，两帮每排布置5根锚杆，间排距为650 mm×900 mm，金属网尺寸(长×宽)：2 000 mm×1 000 mm，网格的大小为40 mm，配合由直径为16 mm圆钢焊制的钢筋梯子梁进行支护。锚网喷支护：在锚网梁支护条件下在巷道表面进行喷浆，采用水泥浆液，喷浆厚度为25 mm；锚注支护：巷道顶板锚杆其中3根改为注浆锚杆，与普通锚杆交替布置，向顶板注适量的水泥浆。由于篇幅所限，三种支护条件下巷道围岩垂直应力、水平应力及剪切应力的详细模拟结果未列出，只统计模拟结果中各应力的最大值，整理后得到如图4所示结果。

由图4可以看出，支护方式由锚网梁-锚网喷-锚注支护进行过渡时，巷道围岩的垂直应力、水平应力及剪切应力呈现逐渐减小的趋势，说明对巷道顶板注浆能够改善围岩的应力状态，减小巷道围岩的位移变形。10-100工作面上方为9号煤层的采空区，10-100运输巷在上煤层工作面采动破坏下，围岩松散破碎，巷道围岩注浆能够提高围岩的力学性能，配合锚杆和金属网支护能够很好地控制围岩变形。因此在10-100运输巷采用注浆支护较合理。

4 沿空掘巷支护技术应用

4.1 现场应用

根据以上研究结果，设计10-100运输巷与10-102工作面之间留设煤柱宽度为8 m，采用“锚杆(索)+W型钢带+注浆”支护方式。顶板和两帮锚杆为D20 mm×2 500 mm的左旋螺纹钢锚杆，锚固剂采用一支CKB2340和一支Z2360树脂锚固剂，顶板锚杆间排距为600 mm×900 mm，顶板靠近巷帮的两排锚杆向巷道外侧倾斜，与竖直方向夹角为30°。两帮锚杆间排距为650 mm×900 mm，靠近顶角和底角的锚杆分别向上和向下倾斜30°。距顶板中心线800 mm对称安装两个锚索，锚索为D21.6 mm×6 300 mm的钢绞线，间排距为1 600 mm×1 800 mm，用CKB2340、Z2360锚固剂各两支，安装时施加不小于180 kN的预应力。在顶板每隔两排锚杆设置一组注浆锚杆，注浆锚杆和顶锚索交替布置，注浆锚杆间排距为1 600 mm×1 800 mm。在煤柱侧每间隔两排锚杆安装一根注浆锚杆，锚杆距离顶板1 000 mm，注浆采用高水速凝材料，水灰比为3∶2。10-100运输巷支护方案如图5所示。

图5 10-100运输巷支护方案(mm)

4.2 效果监测

为考察木瓜煤矿10-100运输巷锚注支护的效果，在巷道掘进及工作面回采期间对巷道围岩变形情况进行了监测，监测结果整理后如图6所示。由图6可知，巷道掘进时，围岩变形集中在成巷70 d内，顶底板移近量稳定在300 mm，实体煤侧最大变形量为273 mm，煤柱侧最大变形量为249 mm。在10-100工作面回采期间，超前支撑压力影响范围约为80 m，巷道顶底板最大移近量为376 mm，实体煤侧最大位移量为292 mm，煤柱侧最大位移量为308 mm。综上可得，10-100运输巷围岩整体的变形量较小，能够满足煤炭运输的要求。

5 结 语

根据木瓜煤矿10-100工作面具体的地质条件，通过理论计算及数值模拟分析，确定10-100工作面沿空掘巷采用留小煤柱宽度为8 m较合理，并提出采用“锚杆(索)+W型钢带+注浆”支护方式，现场应用后进行围岩位移量观测，10-100运输巷掘进期间，顶底板移近量最大值为300 mm，实体煤侧最大变形量为273 mm，煤柱侧最大变形量为249 mm；10-100工作回采期间，超前支承压力影响范围约为80 m，巷道顶底板最大移近量为376 mm，实体煤侧最大位移量为292 mm，煤柱侧最大位移量为308 mm。通过注浆加固有效改善了煤柱的力学特征，取得了良好的支护效果。

图6 10-100运输巷围岩变形规律