挖金湾煤矿煤柱工作面巷道布置及支护技术应用研究

杨海峰

（同煤集团挖金湾煤业有限责任公司，山西 大同 037042）

1 工程概况

同煤集团挖金湾煤矿正在进行其工业广场西部5#煤层第四采区西大巷保护煤柱回采，大巷保护煤柱宽度为110m，设计工作面推进长度约为420m，工作面回采过程中预计通过F19与F14两个较大断层，煤柱两侧为各个工作面的采空区，分布情况差异较大，见图1。5#煤层厚度1.05～4.2m，平均约为3.2m，煤层倾角7.4～10.5°，平均9.0°。直接顶和直接底分别为平均厚度5.03m和2.15m的砂质泥岩，抗压强度为3.4～7.8MPa。煤柱工作面共布置两个回采巷道，回风平巷北侧与5400工作面采空区相邻，采空区与煤柱体的长度方向近似平行，运输平巷南侧与5402～5405工作面采空区相邻。本文以该煤柱工作面为研究对象，对巷道布置和支护技术进行研究。

图1 挖金湾煤矿第四采区大巷保护煤柱示意图

2 煤柱工作面巷道合理位置的确定

工作面回采巷道布置时，应避开煤岩体破碎及应力集中程度较高的区域，这样既有利于巷道围岩的控制，又能够通过减小回采巷道保护煤柱的宽度提高资源的利用率[1-2]。挖金湾5#煤层第四采区煤柱回收工作面两侧采空区分布形式差异很大，因此需对回风平巷和运输平巷保护煤柱的宽度分别进行设计。回风平巷一侧，采空区规则分布，参考正常工作面的区段煤柱宽度，在回风平巷侧设计7种窄煤柱宽度，分别为3m、4m、5m、6m、8m、10m、15m；而运输平巷一侧，采空区走向与运输平巷斜交较大，大致为69°、75°和75°，采空区边缘距离运输平巷的距离差别很大，且5403工作面采空区与运输平巷距离最近，因此模型建立时以5403采空区为例。运输平巷与5403采空区拐点间设计5种煤柱宽度，分别为5m、10m、20m、30m、40m。为具体分析不同煤柱宽度对于煤柱工作面回采的影响，采用FLAC3D数值模拟软件，建立如图2所示的数值模型，研究分析不同煤柱宽度条件下巷道围岩的稳定情况[3-4]。工作面煤岩体采用摩尔—库伦本构模型，模型尺寸长×宽×高=210×300×82.5m。5#煤层工作面采高3.2m，两侧煤体回采后采用一次性换充填材料模拟采空区冒落矸石。模型位移边界条件：模型前后、左右边界法向位移受到约束，底面为固定边界，上部为自由边界，基于上方边界施加9.25MPa的等效载荷。

图2 三维数值模型示意图

2.1 回风平巷位置分析

为具体分析不同煤柱条件对于巷道围岩稳定性的影响，分别统计煤柱工作面处于掘巷期间和回采期间围岩内应力分布与煤柱宽度的关系，回风平巷围岩内应力变化曲线如图3所示。由图3可以看出，回风平巷掘进期间，随着与采空区距离的变化，不同煤柱宽度条件下，煤柱内垂直应力呈现先增大后减小的变化趋势，留设的煤柱宽度越大煤柱内应力峰值越大，煤柱宽度为3～4m时，煤柱完全发生塑性破坏；煤柱宽度为4～6m之间时，煤柱内应力峰值均小于20MPa；煤柱宽度在6～15m时，煤柱应力峰值开始超过20MPa；5#煤层单轴抗压强度约为20.5MPa，因此根据掘巷期间煤柱内的应力分布，煤柱宽度为4～6m较合理。根据图3(b)所示的模拟结果可以看出，回采期间煤柱内垂直应力峰值明显增大，而当煤柱宽度为4～5m，应力峰值仍小于20MPa，煤柱宽度为6m时，应力峰值达到22MPa。综上分析，将回风平巷侧煤柱宽度设计为5m。

图3 回风平巷煤柱内应力分布规律

2.2 运输平巷位置分析

煤柱工作面运输平巷围岩内应力变化曲线如图4所示。由图4（a）可知，随着运输平巷与5403采空区煤柱宽度的增大，煤柱内应力峰值先增大后减小，当煤柱宽度为5～10m时，煤柱内应力基本上全部大于20MPa，煤岩体内应力集中程度过高；煤柱宽度为20～40m时，煤柱内应力峰值为23MPa，但是煤柱中间部分垂直应力均小于15MPa。因此考虑煤柱宽度为20～40m之间较为合适。根据图4（b）所示结果可知，工作面回采期间，煤柱内支撑应力在5403工作面采空区拐点处最大，煤柱宽度由20m增加到30m，煤柱内垂直应力明显减小，煤柱宽度继续增大到40m，垂直应力继续减小，但是减小并不明显。因此，综合考虑经济等多方面的因素，确定运输平巷侧煤柱宽度为30m。

3 煤柱工作面回采巷道支护技术

四采区煤柱回收工作面回风平巷和运输平巷巷道断面均为矩形，断面尺寸宽×高=4500×3000mm，设计采用锚杆、锚索及钢筋网、钢筋梯子梁联合支护。顶板采用Ф22×2400mm的高强度螺纹钢锚杆，锚杆间排距为850×800mm，每排六根；回采帮采用Ф22×2400mm的玻璃钢锚杆，间排距为850mm×800mm，每排四根；煤柱帮采用Ф22×2400mm的高强度螺纹钢锚杆，每排五根，间排距为700mm×800mm；两帮靠近顶底板的锚杆倾斜20°安装，顶板靠近两帮的锚杆向两帮倾斜20°施工。采用直径为6.5mm的钢筋网，网孔为边长100mm的矩形，钢筋梯子梁由Φ14mm圆钢焊接而成。锚杆采用锚固剂为K2340、Z2360各一支，预紧力不小于150N·m，锚固力不小于150kN。顶板锚索采用Φ17.8mm×7300mm的小孔径预应力，采用“五花布置”，间排距为1700×1600mm，距巷帮1400mm，顶板锚索锚固剂使用快速S2360一支和Z2360两支，锚索垂直顶板安装，预紧力不小于130kN。回风平巷和运输平巷的支护详情如图5所示。

图4 运输平巷煤柱内应力分布

图5 “锚网索梁”联合支护示意图

4 现场应用及效果分析

挖金湾煤矿5#煤层第四采区煤柱回收工作面首先进行其回风平巷的掘进，煤柱宽度为5m，在其掘进期间进行了围岩位移观测，结果如图6所示。根据图6（a）所示的监测结果可以看出，巷道掘进期间围岩稳定后，顶板下沉量最大为125mm，底板底鼓量最大为28mm，窄煤柱帮最大位移量约为123mm，回采帮最大位移量约为180mm，两帮最大移近量平均值约为251mm。总体来说巷道围岩的变形量较小，回采巷道变形能够满足掘进及工作面回采期间巷道使用要求，同样表明本文确定的巷道布置及支护方式合理。

图6 回风平巷围岩位移观测结果

5 结 论

为确定挖金湾煤矿5#煤层第四采区大巷煤柱回收工作面回采巷道的煤柱留设的合理宽度及合理的支护方案，通过数值模拟及理论分析研究表明，回风平巷侧煤柱宽度为5m，运输平巷侧煤柱宽度为30m较合理，设计采用锚网索对两个回采巷道进行支护。回风平巷掘进期间，巷道围岩稳定后，顶板下沉量最大为125mm，底板底鼓量最大为28mm，窄煤柱帮最大位移量约为123mm，回采帮最大位移量约为180mm。回风平巷留5m窄煤柱和采用锚网索支护合理，煤柱宽度及支护设计控制效果良好。