浅埋深小煤柱沿空掘巷围岩控制技术探讨

张哲瑞

（山西能源学院，山西 晋中 030600）

1 工程背景

薛虎沟煤矿2-106A工作面运输顺槽位于井田东北部，走向长200 m，倾斜长790 m，沿倾向推进，开采2#煤层。2#煤层位于山西组中上部，煤层厚度3.2～5.0 m，平均3.4 m，结构简单，煤层倾角平均为4°，工作面平均埋深200 m。2-106A工作面西北为2-105 工作面采空区，东北为井田边界，与老窑头煤业相邻，西南为南翼主运巷Ⅱ段、东南为2-106B工作面采空区。

2-106A工作面2#煤层老顶为中粒砂岩，厚度为3.6 m，灰白色，砂质结构，中厚层状构造，层理发育，坚硬稳定性较好；直接顶为砂质泥岩，部分区域受上分层采空影响冒落；直接底为砂质泥岩，厚度5.2 m，层状结构，含植物化石且质软。为优化采区巷道布置、节约支护成本、提高煤炭采出率，该工作面运输顺槽采用窄煤柱护巷的方式施工。

2 合理煤柱宽度确定

沿空掘巷作为一种较为特殊的回采巷道，它不仅能够提高矿井回采率，也有利于巷道围岩稳定，逐渐成为现阶段矿井的主要发展方向［1］。参考已有的相关研究成果，煤柱尺寸过宽会造成煤炭资源浪费，煤柱尺寸过窄则导致煤柱应力集中，破碎区范围内裂隙发育，煤柱失去承载性能而发生变形破坏。因此，区段煤柱的宽度应大于极限平衡条件下的区段煤柱宽度，为此建立合理宽度的计算模型见图1。

图1 沿空掘巷窄煤柱合理宽度计算模型

由围岩平衡极限理论［2-3］可得留设煤柱最小宽度为：

其中，塑性区的宽度X1为：

式中：Xl为上个工作面采空区侧煤岩体塑性区的宽度；X2为巷道锚杆支护煤柱侧锚杆长度；X3为煤柱稳定性安全储备，一般取0.2 (Xl+X2)；m为巷道高度，2-106A运输顺槽高度为3.4 m；λ为测压系数，取0.3；φ为煤层内摩擦角，取30°；C为煤层内聚力，为0.8 MPa；σym为巷道煤柱内垂直应力，取13.75。

根据薛虎沟煤矿相关煤岩力学参数，巷道锚杆支护有效长度X2=2.0 m，由式（2）可得塑性区的宽度X1=1.98 m，则煤柱稳定性安全储备X3=0.796 m，将数据带入式（1）中，经计算可得，留设煤柱最小宽度为B=4.776 m，因此该沿空巷道设计的煤柱宽度为5 m。

3 沿空掘巷合理煤柱宽度数值分析

3.1 锚网索联合支护方案

2-106A工作面运输顺槽为矩形断面，巷道的净宽为5 600 mm，净高为3 400 mm。采用锚网索联合支护方式。锚杆采用型号为Φ20 mm×2 000 mm左旋纵筋螺纹钢锚杆，每排顶板和两帮共14 根，间排距为1 000 mm×900 mm，每根锚杆采用一支K2335 型药卷在上和一支Z2360 型药卷在下的锚固方式进行锚固，靠近肩窝处的锚杆向外侧倾斜15°安装，预紧力为40 kN。锚索采用Ф17.8 mm×6 200 mm的预应力钢绞线共4 根，每排2 根，配套安设防坠挂钩或用双股铁丝吊挂，间排距为2 000 mm×1 800 mm，采用2 条Z2388 树脂锚固剂，安装预紧力120 kN。巷道表面采用双层网，内外层分别为钢筋网和塑料网，网片间搭接距离为100 mm。此外，在巷道围岩破碎、大跨度断面区域，采用U型钢进行补强支护。2-106A运输顺槽支护见图2。

图2 2-106A 运输顺槽支护断面

3.2 合理煤柱宽度模拟分析

（1）建立模型

为了进一步确定护巷煤柱的宽度是否合理，利用FLAC3D数值模拟软件进行研究分析。根据现场实际情况，建立尺寸（长、宽、高）为210 m×80 m×92 m的模型。模型各岩层的相关物理力学参数见表1，模型底部为固定边界，四周边界水平位移被约束，在模型的上边界施加5.5 MPa的等效载荷替代煤层埋深200 m的覆岩载荷。模拟过程：临近工作面回采，2-106A运输巷开挖，2-106A工作面回采。

表1 煤岩物理力学参数

（2）模拟分析

基于对上述岩层相关物理力学参数的分析，分别选择煤柱宽度分别为3 m、4 m、5 m、6 m、7 m和8 m等6 种方案进行模拟，得到不同煤柱宽度条件下围岩变化曲线见图3。

图3 不同煤柱宽度条件下围岩变化曲线

由图3 可知，当煤柱为3 m时，煤柱帮移近量仅为42 mm，实体煤帮高达187 mm；随着煤柱宽度的增加，左帮的移近量在增加，而煤柱右帮的移近量在减少；当煤柱宽度增加为8 m时，巷道顶板的下沉量由原来的370 mm增加至447 mm。由此可知，巷道围岩的变形量随着煤柱的宽度的不同而不断变化，在煤柱宽度为3～5 m的范围内变化最大，5 m之后顶板的下沉量基本不变；这说明当煤柱宽度大于5 m时，巷道产生的塑性区较小，达到了围岩控制变化的目的，故该运输顺槽采用5 m宽的护巷煤柱。

4 应用效果

为了检验2-106A工作面运输顺槽采用5 m小煤柱护巷沿空掘巷技术的效果，掘巷期间布置测站对不同煤柱宽度条件下顶板的下沉量和两帮的移近量进行实时观测，得到的数据见图4。

图4 巷道表面位移曲线

由图4 可知，巷道开挖初期（0～4 d），受掘进扰动影响，顶板和两帮的变形量迅速增加，底板下沉量增加至38.8 mm，煤柱帮的移近量增加至28.6 mm。随着工作面的推进，巷道表面的移近量缓慢增加，18 d时，顶板的下沉速度由14 mm/d降至3.6 mm/d，煤柱帮的移近速度由最大的8 mm/d降至2.1 mm/d；且在30 d后趋于稳定，此时顶底板的最大移近量为156.8 mm，煤柱帮的最大移近量为80.5 mm，实体煤帮的位移量最大为62.4 mm。这说明该沿空巷道采用5 m的煤柱护巷和锚杆索支护方案后，可以有效地控制围岩的变形。

5 结语

针对薛虎沟煤矿2-106A运输顺槽的地质条件，通过理论计算确定窄煤柱护巷的最小宽度为4.776 m，并采用数值模拟的方法，对不同煤柱宽度条件下的围岩变形情况进行分析，最终确定最合理的煤柱宽度为5 m。对2-106A运输顺槽进行矿压监测，成巷30 d时顶板的移近速度由最大的14 mm/d降至3.6 mm/d，煤柱帮的最大移近量为80.5 mm，实体煤帮的位移量最大为62.4 mm； 这说明围岩控制效果良好，所设计的护巷煤柱宽度和支护方案取得了良好的应用效果。