特厚煤层沿空掘巷窄煤柱留设及支护设计

虎 鹏

(中铝宁夏能源集团有限公司宁夏王洼煤业有限公司，宁夏 固原 756505)

0 引言

宁夏王洼煤业有限公司王洼二矿110507工作面采用单一走向长壁后退式、综合机械化低位放顶煤工艺开采。为了降低采区煤柱的损失量，110507工作面将采用留窄煤柱沿空掘巷的工艺进行巷道的掘进，两条顺槽断面为拱形，宽度为4 200 mm，高度为3 700 mm。该工作面所采5#煤层平均厚度11 m，平均埋深500 m。工作面西邻110505采空区，东邻未开采的210501工作面，南邻21采区轨道下山，北邻井田北翼边界，此工作面南北走向1 420 m，倾斜长190 m。

1 沿空掘巷合理宽度的窄煤柱留设

1.1 沿空巷道窄煤柱宽度上下限的理论计算

沿空巷道留设窄煤柱宽度：由矿方地测科数据可知，110507综放工作面的内应力场范围S为11.6 m，为了避免所留设窄煤柱和沿空巷道处于应力升高区，需要将沿空巷道布置在110507综放工作面的内应力场范围内，即内应力场的宽度不应小于沿空巷道的宽度L1与沿空巷道所留设窄煤柱宽度L2之和[1-2]，公式为S≥L1+L2。通过计算得出110507综放工作面沿空掘巷窄煤柱的宽度L2≤7.4 m。

极限平衡理论下窄煤柱宽度：根据沿空掘巷护巷煤柱的极限平衡理论可知沿空掘巷中合理的窄煤柱宽度计算公式为

L3=X1+X2+X3

(1)

式中：X1—上区段回采后煤体中塑性区的宽度[3-4]；X2—锚杆的长度，取2.4 m；X3—煤柱的安全系数，取(X1+X2)的15%～35%。

110507综放工作面上区段回采后煤体中塑性区的宽度计算公式如下

(2)

式中：m—煤层厚度，取11 m；A—侧压系数，取0.42；K—应力集中系数，经过实验取2.5；H—巷道埋深，取500 m；γ—岩层的平均容重，取14.3 kN/m3；C0—煤层的内聚力，取0.68 MPa；φ0—煤层的内摩擦角，取45°；Px—所掘巷道受到的支护力，取0.16 MPa。将各项数据带入上式，即可计算得出110507工作面上区段回采后侧向煤体中的塑性区范围X1为2.3 m。最终求得沿空掘巷护巷煤柱的极限平衡理论下煤柱宽度L3的范围为4.1～6.3 m，即110507综放面沿空掘巷窄煤柱的宽度最小为4.1 m。

1.2 沿空巷道合理窄煤柱宽度的数值分析

模型的建立：以王洼二矿110507工作面沿空掘巷回风顺槽为研究对象，根据110507综放工作面回风顺槽的围岩物理力学参数，同时借鉴类似综放面的窄煤柱留设经验[5-6]，通过FLAC3D软件建立王洼二矿110507工作面沿空掘巷模型，研究110507工作面回风顺槽掘进过程中4 m、5 m、6 m、7 m、8 m宽度窄煤柱护巷时回风顺槽的围岩应力及其变形规律。结合煤层埋深和矿方提供的数据，模型上方施加9.8 MPa的等效载荷，相当于埋深500 m，模型Y方向和X方向分别施加17 MPa和12.2 MPa的水平应力，模型边界受到约束，最终所建模型X×Y×Z=210 m×300 m×82.5 m。

垂直应力分析：图1为数值模拟所得到的不同宽度煤柱护巷时回风顺槽掘进期间煤柱帮垂直应力分布图。由图1可以发现，煤柱帮垂直应力峰值随着煤柱宽度的增加而增加。护巷煤柱的宽度为4 m和5 m时，巷道掘巷期间煤柱帮垂直应力峰值约为12.5 MPa和13.3 MPa，均小于原岩应力；护巷煤柱的宽度为6 m时，垂直应力峰值增加至17.5 MPa；护巷煤柱的宽度为7 m、8 m时，虽然煤柱帮垂直应力峰值仍有所提升，但是较6 m煤柱护巷时的垂直应力峰值增幅较小，分别为17.8 MPa和19 MPa。究其原因是因为4 m、5 m煤柱尚未形成足够的承载能力，不能够充分承载覆岩载荷，而6 m煤柱已经有足够的承载能力，所以7 m、8 m煤柱内的垂直应力峰值增幅较小。

图1 不同煤柱宽度护巷掘巷期间煤柱帮应力分布图

表面位移量分析：通过模拟，得到不同宽度煤柱护巷条件下，回风顺槽沿空掘巷掘进稳定期间巷道表面的位移量，见表1。护巷煤柱的宽度从4 m增加到8 m，回风顺槽掘进期间巷道两帮的移近量从580 mm减小到169 mm，顶板移近量从633 mm减小到132 mm，说明较宽的煤柱具备较高的承载能力，能够限制围岩的变形量。观察数据发现6 m窄煤柱护巷时，两帮变形量较4 m、5 m煤柱分别减少了64.7%和55.3%，顶板移近量较4 m、5 m煤柱分别减少了68.7%和62.9%；而7 m、8 m煤柱较6 m煤柱护巷时的两帮变形量仅减少了10.2%和17.5%，顶板移近量仅减少了10.1%和33.3%。并且6 m窄煤柱护巷时回风顺槽掘进稳定期间巷道表面位移量已经限制在允许变形范围内，因此从经济角度考虑，应选取6 m窄煤柱护巷。

表1 110507工作面回风顺槽沿空掘巷掘进稳定期间巷道表面位移量

综上，从煤柱的承载覆岩载荷的能力及限制巷道围岩变形等方面综合考虑，最终选定110507工作面回风顺槽的护巷煤柱为6 m。

2 110507回风顺槽沿空掘巷支护设计效果

2.1 110507工作面回风顺槽支护设计

根据矿方地质资料，设计110507工作面回风顺槽支护方式为锚网索联合支护，支护示意图如图2所示。

锚网支护：选用φ20 mm×2 500 mm的右旋等强螺纹钢锚杆，每根锚杆配备2节K2370树脂药卷，顶板锚杆的间排距均为800 mm，巷帮锚杆的间距为700 mm，排距为800 mm。锚杆托板采用的是150 mm×150 mm×10 mm的钟型托盘，全断面铺设金属网，金属网采用φ6.5 mm圆钢焊制，网孔间距100 mm，采用14#双股铅丝双排扣扣相联，每排共计布置13根锚杆[7-9]。

图2 110507工作面回风顺槽断面及展开支护示意图

钢筋梯支护：断面拱部锚杆(7根)与钢筋梯同排布置，钢筋梯采用的是φ16 mm的圆钢焊制，其长度为5 750 mm。每根钢筋梯由两根φ16 mm的圆钢平行并排焊接而成，并排外径宽度为102 mm，内径宽度为70 mm，每隔800 mm焊接外径间距为116 mm。

锚索支护：选用φ21.6 mm×5 000 mm的锚索，锚索排距2 400 mm，间距2 000 mm，断面每排布置7根锚索。每根顶锚索配备4节K2370树脂药卷，每根帮锚索配备2节K2370树脂药卷，锚索托盘选用拱形托盘，规格为300 mm×300 mm×16 mm。

经过基于悬吊理论的验算[10-11]，本次支护设计各项参数满足巷道支护要求。

2.2 支护效果

测点布置：为了检验所设计的支护方案并对前文中窄煤柱宽度的理论分析、数值模拟结果进行验证，现采用十字测量法在巷道内距掘进头0～150 m的范围内，每隔30 m布置一个观测站，布置1、2、3、4、5共5个观测站来监测巷道表面位移量。通过在1、3、5观测站内的实体煤帮和煤柱帮布置多点位移计，来监测巷道围岩的深部位移。实体煤帮侧距煤壁每隔1 m布置一个测点，共5个，煤柱帮侧煤壁每隔1 m布置一个测点，共4个。各个观测站内每周进行3次观测，直至围岩变形稳定。

最大围岩移近量：表2为巷道掘进期间回风顺槽最大围岩移近量数据统计表。可以发现，除1号测点因距离掘进头较近，两帮移近量和顶底板移近量略大，其他测点的两帮移近量均在200 mm左右，顶底板移近量均在100 mm左右，与数值模拟结果相近，并且控制在允许变形范围内，能够保证回风顺槽的正常掘进作业和运行。

围岩深部位移量：图3为巷道掘进期间3号观测站内煤柱帮及实体煤帮深部位移量实测数据曲线图。可以发现，煤柱帮的变形量明显大于实体煤帮，围岩变形基本上在巷道掘进40 d后趋于稳定，变形稳定后煤柱帮深基点的最大变形量为124 mm，实体煤帮深基点的最大变形量为50.1 mm。煤柱帮的变形主要集中在0～2 m和3～4 m范围内，虽然此范围内的变形量约为100 mm，但是煤柱的整体性良好，说明巷道支护设计合理。

表2 巷道掘进期间最大围岩移近量

图3 巷道掘进期间围岩深部位移量

3 结论

(1)王洼二矿所采煤层为特厚煤层，该矿110507工作面采用留窄煤柱沿空掘巷的工艺进行巷道的掘进，通过理论计算和FLAC3D软件进行数值模拟，最终确定该工作面沿空掘巷所留设保护煤柱为6 m。

(2)根据该矿地质资料及材料，设计110507工作面回风顺槽支护方式为锚网索联合支护并进行现场应用。

(3)通过在回风顺槽中布置观测站，监测掘进过程中巷道表面位移量及围岩的深部位移数据，发现巷道掘进过后40 d基本趋于稳定，变形稳定后煤柱帮深基点的最大变形量为124 mm，实体煤帮深基点的最大变形量为50.1 mm，巷道两帮移近量均在200 mm左右，顶底板移近量均在100 mm左右。

(4)围岩变形量及围岩深部位移均控制在允许范围内，说明巷道支护设计合理，能够满足顺槽的正常掘进作业和运行。