沿空掘巷合理煤柱宽度及支护参数确定

张文豪

(西山煤电集团 技术中心， 山西 太原 030053)

为了提高煤炭资源的开采效率，窄煤柱沿空掘巷技术被广泛使用，煤柱宽度及沿空掘巷支护参数影响沿空掘巷掘进期间及回采期间围岩稳定[1-2]. 国内外对护巷煤柱宽度的留设进行了大量的研究。郭重托[3]借助现场实测、数值模拟等手段，分析了不同煤柱宽度2302工作面回风巷围岩承载演化规律，确定了合理窄煤柱宽度为6.0 m. 李季等[4]以主应力差为研究切入点，利用理论计算及数值模拟等研究方法，研究了深部回采工作面侧向采动应力场主应力差分布特征和不同煤柱宽度下沿空掘巷围岩主应力差分布规律，提出了以主应力差分布规律为依据的深部沿空掘巷煤柱设计思路。柏建彪等[5]通过数值模拟计算分析，研究了综放沿空掘巷围岩变形及窄煤柱的稳定性与煤柱宽度、煤层力学性质及锚杆支护强度之间的关系，提出了合理的窄煤柱宽度。

1 工程地质概况

某矿B3103回风顺槽一侧为B3102工作面采空区，2017年8月回采完毕，3#煤层厚度平均4.8 m，煤层埋深250 m左右，直接顶为6.0 m泥岩，基本顶为7.0 m石灰岩，直接底为3.0 m粉砂岩，基本底为6.0 m泥岩，B3103工作面长度为1 500 m，切眼长度200 m，B3103回风顺槽沿顶板掘进，采掘工程平面示意图见图1.

图1 B3103工作面采掘工程平面示意图

2 沿空掘巷窄煤柱宽度理论计算

极限平衡理论计算模型见图2，极限平衡理论塑性区扩展深度x1表达式为：

式中：

k1一垂直应力集中系数,取2；

H—煤层埋深，m,取250；

γ—顶板岩石平均容重，kN/m3,取25；

M—煤层厚度，m,取4.8；

β—临界塑性区侧压系数，β=μ/(1-μ),μ为泊松

比，取0.2，则β=0.25；

φ0—煤体内摩擦角，(°),取35;

α—煤层倾角，(°),取3;

c—煤体黏聚力，MPa,取1.25.

图2 极限平衡理论计算模型图

将相关参数代入上式得：x1=2.08 m

窄煤柱理论宽度计算公式为：

B=x1+x2+x3

式中：

x1—塑性区宽度，m；

x2—帮部锚杆有效长度，m，回风顺槽锚杆长度为2 000 mm,考虑锚杆外露，此处有效长度取1.8；

x3—稳定性系数，考虑现场因素需要增大的稳定性系数，x3=0.2(x1+x2).

计算得到：

B=x1+x2+x3≥4.656 m

3 沿空掘巷合理煤柱宽度数值模拟

以B3103工作面地质概况为研究对象建立模型，模型共7层。巷道尺寸为4.7 m×3.6 m，沿顶板掘进，其数值计算模型见图3. 模型的尺寸为300 m×120 m×47.5 m，模型的上部边界施加与等量的上覆岩层的重量，模型的X、Y方向施加水平约束，Z方向只固定模型下部，上部根据实际应力值设定相应的应力边界，模型中的物理力学参数见表1. 分别模拟宽度为4 m、6 m、8 m和10 m四种煤柱宽度下沿空掘巷应力变化规律。

图3 沿空掘巷数值计算模型图

表1 模型物理力学参数表

数值计算过程为：建立数值计算模型→原岩应力平衡计算→开挖B3102工作面计算→沿空掘巷计算→B3103工作面回采计算→输出计算结果。

B3103工作面在邻近工作面B3102回采后的垂直应力分布见图4. 原岩应力大小为：6.25 MPa，B3103工作面临近采空区边缘距采空区0～5 m为应力降低区，峰值位置距采空区边界10 m，峰值为13 MPa，应力增高区为5～30 m，原岩应力区为30～60 m.

为了确定合理的窄煤柱宽度，首先研究B3103回风顺槽掘进期间4个方案中不同宽度窄煤柱垂直应力场分布情况，见图5.

由图5可以看出，随煤柱宽度的增加，沿空巷道煤柱内垂直应力的峰值先增大后趋于稳定，即峰值从4 m煤柱时的3 MPa增大到10 m煤柱时的9 MPa左

图4 侧向支承应力分布云图

右，然而煤柱4 m时的垂直应力峰值已显著低于原岩应力，这是由于在掘进的过程中4 m煤柱无法承受采动扰动下的侧向采动应力峰值，因此留设4 m护巷煤柱是不利于巷道的长期稳定。随煤柱宽度的增加，实体煤帮内垂直应力峰值先增大后减小，但其增大的幅度较小，即实体煤内垂直应力峰值稳定在14～15 MPa，煤柱在8 m和10 m巷道围岩处于高应力环境，巷道围岩不容易稳定，6 m煤柱能够起到一定的承载作用，同时处于低应力环境，能够保持沿空巷道大应力环境下的稳定。

图5 不同煤柱宽度垂直应力分布规律图

4 沿空掘巷合理支护参数及现场工业性试验

顶锚杆使用22/2400螺纹高强锚杆，间排距为850 mm×1 000 mm，采用尺寸150 mm×150 mm×10 mm高强度拱形托盘，锚固方式采用一支CKb2335和一支K2360树脂锚固剂。顶锚索使用d18.9 mm×6 300 mm的矿用锚索，锚索沿顶板呈2-1-2布置，间距为1 700 mm，排距为1 000 mm，配套使用300 mm×300 mm×16 mm的高强度托盘，使用一支CKb2335及两支K2360树脂锚固剂，两帮采用22/2000螺纹高强锚杆，间排距为800 mm×1 000 mm，采用尺寸150 mm×150 mm×10 mm高强度拱形托盘，锚固方式采用一支CKb2335和一支K2360树脂锚固剂。B3103回风顺槽支护断面图见图6. B3103回风顺槽掘进期间的巷道表面位移监测结果见图7.

由图7可以看出，采用6 m煤柱宽度配合合理支护参数，B3103回风顺槽掘进期间，随着距掘进头距离的逐渐增大，沿空巷道两帮移近量最大值达到150 mm左右，顶底板移近量最大值达到187 mm左右，巷道围岩变形量较小，验证了煤柱宽度及支护参数的合理性。

图6 B3103回风顺槽支护断面图

图7 B3103回风顺槽两帮及顶底板移近量图

5 结 论

探究了沿空掘巷合理煤柱宽度及支护参数，基于极限平衡理论确定了沿空掘巷理论宽度，建立了FLAC3D数值计算模型，分析了一侧采空后侧向支承应力分布规律、不同煤柱宽度沿空掘巷围岩应力分布特征，得出了以下结论：

1) 沿空掘巷窄煤柱理论宽度为4.656 m，B3103工作面临近采空区边缘距采空区0～5 m为应力降低区，峰值位置距采空区边界10 m，峰值为13 MPa，应力增高区为5～30 m，原岩应力区为30～60 m.

2) 6 m煤柱宽度配合合理的支护参数，掘进期间两帮移近量最大为150 mm左右，顶底板移近量最大为187 mm左右，沿空巷道围岩保持稳定。