屯兰矿18406孤岛工作面沿空掘巷技术应用研究

王国斌

（山西焦煤西山煤电集团有限公司屯兰矿，山西 古交 030206）

1 工程概况

屯兰矿目前正在进行8#煤南四盘区的开采活动，8#煤厚2.80~3.90m，平均约3.41m，局部夹一层炭质泥岩，厚0.20~0.50m。工作面地面标高为1145~1241m，工作面标高为650~756m，盖山厚度约为421~559m。煤层整体向南西倾斜，最大倾角8°，最小倾角2°，平均约5°。工作面走向长度1815~1826m，倾斜长度235m。煤层顶底板特征见表1。井下位于南四盘区，北东为南四回风巷，南东18405工作面正在回采，南西为南三盘区（已回采）保护煤柱，北西为古交断层，即将进入准备阶段的18406 工作面为孤岛工作面。

2 18406孤岛工作面沿空巷道合理位置确定

（1）孤岛工作面煤岩体内垂直应力的分布情况

依据18406 综采工作面实际开采条件，采用Flac3D数值模拟软件模拟该工作面沿空掘巷过程中围岩的受力及塑性区分布情况。模型长、宽、高分别为850m、235m、120m，模型四周采用水平位移约束，底部垂直位移约束，上部为自由面，上覆岩层的载荷用11.56MPa 的均布载荷来替代，数值模型采用莫尔－库仑准则进行计算。在确定18406 孤岛工作面沿空掘巷留窄煤柱宽度之前，需要了解工作面的侧向支承应力分布情况。首先模拟开挖工作面两侧的煤体，再次平衡后观察两侧工作面回采完毕后孤岛工作面煤岩体内垂直应力分布情况[1]。

表1 顶底板岩性特征表

图1 巷道开挖前孤岛工作面内垂直应力分布图情况

由数值模拟结果图1（a）绘制出随运输巷一侧距离变化与垂直应力的变化规律如图1（b）所示。在18406 工作面两侧的工作面回采完毕后，在工作面煤岩体内的变化趋势为：急速增大—缓慢减小—稳定为原岩应力。在距离两侧采空区边界0~10m 范围内，垂直应力急速增大，且应力低于原岩应力，称为应力降低区；在10~70m 范围内应力在大约24m 处达到峰值，然后逐渐降低为原岩应力，称为应力增高区；在距离两侧采空区70~115m 范围内垂直支承应力基本等于原岩应力，属于原岩应力区。在进行合理窄煤柱宽度的研究时，应当尽可能地将巷道布置在两侧的应力降低区内，即煤柱的宽度应小于10m，有益于后期沿空巷道的掘进及维护，以及工作面回采过程中巷道围岩的稳定。

（2）孤岛工作面掘巷位置确定

为了探究最为合理的煤柱宽度，应用数值模拟软件模拟18406 工作面各种条件不变的情况下，不同煤柱宽度条件下煤柱的稳定性情况，然后根据煤柱宽度在保证巷道安全的前提下，尽可能提高煤炭资源的采出率，提高经济效益[2]。根据以上理论计算及数值模拟的结果，进行6 种不同煤柱宽度的模拟。为了防止巷道煤柱侧漏风，最小煤柱宽度为5m，每增大1m 为一个模拟方案，最大宽度为10m。6 种不同方案下巷道围岩位移峰值的变化情况，绘制成随着与采空区距离变化的曲线如图2 所示。

根据数值模拟的结果可知，孤岛工作面留窄煤柱沿空掘巷时，当煤柱宽度在5~8m 范围内变化时，巷道围岩变形量基本上呈线性增长，围岩变形集中在巷道的顶板和实体煤帮侧，煤柱宽度为8m 是巷道围岩稳定性变化的一个拐点。煤柱的作用一是要避免巷道与相邻的采空区联通，以免自燃；二是煤柱要有足够的支承能力，发挥锚杆支护的性能，保证巷道围岩的稳定；在满足这些条件的基础上追求更好的资源回收率。因此根据18406 工作面具体的地质情况，将煤柱宽度设定为8.0m。

图2 不同煤柱宽度条件下围岩位移变化情况图

3 孤岛工作回采巷道支护技术

18406 工作面为孤岛工作面，根据以往孤岛工作面回采的经验，并且综合考虑经济效益、施工工艺等因素，设计采用锚网索支护。由于孤岛工作面回采期间，回采巷道内矿压显现通常更为剧烈，巷帮片帮、顶板下沉会更加明显，因此在支护设计时应适当地增加支护体系的强度[3]。根据18406 工作面巷道围岩的具体特征，对该工作面沿空巷道的支护体系进行设计。

（1）顶板支护的加强

根据屯兰矿18406 工作面顶板跨度大、直接顶强度较低、层间含有软弱夹层等具体条件，将顶锚杆由原来的Ф18×1800mm 左旋无纵筋螺纹钢筋锚杆改进为Ф22×2200mm 左旋无纵筋螺纹钢筋锚杆。托盘采用规格为140×250×10mm 碟形钢托盘，配置调心球垫及减磨垫圈。间距和排距由原来的0.9m 调整为0.8m，每排增加了一根锚杆，一排共6 根锚杆。两侧肩窝处的锚杆向两侧倾斜布置，与垂直方向的夹角15°，中间的4 根锚杆均垂直于巷道顶板。每根使用树脂锚固剂MSZ23/80 一条，预紧力矩不小于250N•m，锚杆外露10 ～50mm。锚索选用1×7 股高强度低松弛预应力钢绞线Ф21.6×7200mm，采用300×300×16mm 碟形托盘，配套调心球垫及锁具。每根使用树脂锚固剂MSCK23/60、MSZ23/80 各一条。锚索在巷道顶板中间对称布置两根，由原来的两排锚杆打一排锚索，调整为每排锚杆之间布置两根锚索，锚索间排距为1600×800mm。

（2）帮部支护的调整

帮部锚杆由原本的Ф16×1600mm 的圆钢锚杆调整为Ф22×2200mm 的螺纹钢锚杆，托盘采用规格150×150×10mm 的拱形方托盘，配置调心球垫及减磨垫圈。每排为5 根，中间三根垂直巷帮，上部靠近顶板处的锚杆向上倾斜15°，靠近底板的锚杆水平向下倾斜15°。锚固剂选用MSZ23/80树脂锚固剂。锚杆间排距由原本的1200×1000mm改为800×800mm。每侧布置两根锚索，煤柱侧采用17.8×4200mm 的矿用锚索，实体煤侧采用17.8×7200mm 的长锚索，每根使用树脂锚固剂MSCK23/60、MSZ23/80 各一条，外露10~50mm。经过加强支护设计后，18406 孤岛工作面运输顺槽和回风顺槽的支护结构详细情况如图3 所示。

图3 “锚网索梁”联合支护示意图

4 应用效果分析

（1）煤柱稳定性分析

在18406 工作面回采期间，在回风顺槽煤柱侧布置深度为1~8m 的应力测试孔，观测煤柱内支撑应力的变化。监测结果整理后如图4 所示。随着回采工作面推进，2~8m 应力观测孔应力变化很小，而1.0m 观测孔应力基本未发生变化，维持在1.28MPa，煤体1m 范围内发生塑性破坏，但依然具有一定强度。可以说明工作面回采使煤柱内地应力逐渐增大，煤柱中虽然产生了一定范围的塑性区，但是煤柱整体上完整性较好，证明8m 宽度的窄煤柱具有一定支承能力，能够保证巷道围岩的稳定性。

图4 随工作面回采煤柱内应力变化曲线

（2）巷道围岩稳定性观测

在18406 孤岛工作面回采巷道采用“锚网索梁”联合支护。为了考察支护方案的支护效果，在回风顺槽内设置观测站对巷道的变形量进行观测，统计分析结果如图5 所示。在距回采工作面60m 时围岩的变形速度最大（工作面回采期间超前支护50m），之后变形速度逐渐减小；当工作面回采至测点时，巷道顶板最大下沉量为150mm，底板最大底鼓量为250mm，两帮移进量基本都在100mm 左右。整体上巷道围岩的变形量都比较小，能够保证工作面生产的正常进行，此次设计在现场取得了良好的应用效果。

图5 回风顺槽巷围岩位移观测结果

5 结语

根据屯兰矿18406 工作面具体的地质赋存条件，采用理论分析、数值模拟等方法开展了区段煤柱合理宽度和支护设计研究。通过数值模拟，确定孤岛工作面合理的窄煤柱宽度为8.0m，根据以往的经验对“锚网索梁”联合支护进行优化设计，工作面回采期间对煤柱应力状态进行观测分析，煤柱完整性良好，巷道围岩位移观测结果表明取得了很好的支护效果。