厚煤层综放工作面沿空掘巷窄煤柱合理宽度研究

张 浩

（山东能源集团兖州煤业有限公司杨村煤矿，山东 济宁 272067）

为降低工作面回采期间侧向支承压力对巷道稳定的影响，厚煤层综放开采时通常留设20～30 m宽的护巷煤柱，导致大量煤炭资源遗留井下[1-4]。留窄煤柱沿空掘巷技术凭借煤炭回采率高和可缓解采掘接替紧张等优点，近年来在我国各大矿区得以广泛应用[5-7]。杨村煤矿作为典型的衰老矿井，煤炭可采储量严重不足，为提高煤炭资源回采率，延长矿井服务年限，杨村煤矿334综采工作面采用留窄煤柱沿空掘巷技术掘进334轨道顺槽。

1 工程概况

杨村煤矿主采3#煤，埋深196～219 m，煤层厚度6.9～8.0 m，平均7.88 m，煤层平均倾角4°，煤层结构简单，赋存稳定，为全区可采煤层。3#煤顶底板岩性情况见表1。

334综采工作面北邻331工作面采空区，南为实体煤，西为护巷煤柱，东为南翼三条大巷。334轨道顺槽采用留窄煤柱沿空掘巷技术跟3#煤底板掘进，巷道断面为梯形，上部净宽4400 mm，下部净宽5000 mm，净高3550 mm，设计总长度257.75 m。334轨道顺槽布置情况如图1。

图1 334工作面布置示意图

2 窄煤柱合理宽度的确定

2.1 窄煤柱合理宽度理论分析

合理的护巷窄煤柱宽度是决定沿空掘巷能否成功的关键。煤柱合理宽度计算模型如图2。由极限平衡理论可知，煤柱合理宽度可由式（1）和式（2）进行计算[8]：

图2 护巷窄煤柱合理宽度计算模型图

式中：B为窄煤柱宽度，m；x1为煤柱帮锚杆有效长度，取1.8 mm；x2为采空区侧煤柱塑性区宽度，m；x3为煤柱安全系数，m，此处取（0.15～0.35）（x1+x2)；m为上一工作面巷道高度，取5.20 m；A为侧压系数，取0.43；φ为煤体内摩擦角，取30°；H为巷道埋深，取207.7 m；k为应力集中系数，取0.25；C0为3#煤粘聚力，取0.65 MPa；Cc为顶板岩层粘聚力，取6.80 MPa；γ为上覆岩层容重，取32 t/m³；P0为上一工作面支架阻力，取0。将数据分别带入式（1）和（2）可解得窄煤柱合理宽度B=7.26～8.45 m，此处取8 m。

2.2 窄煤柱合理宽度数值模拟分析

2.2.1 数值模型建立

为进一步确定煤柱合理宽度，以334轨道顺槽为研究对象，采用FLAC3D数值模拟软件分别研究了煤柱宽度为6 m、7 m、8 m、9 m和10 m时，334轨道顺槽垂直应力分布。334工作面煤岩层物理力学参数见表2。

表2 煤岩层物理力学参数

2.2.2 模拟结果与分析

沿空巷道煤柱帮垂直应力与护巷煤柱宽度的关系如图3。由图3可知，煤柱宽度为6 m、7 m和8 m时，巷道煤柱帮垂直应力峰值分别为12.57 MPa、21.68 MPa和28.37 MPa，表明巷道煤柱帮垂直应力峰值随煤柱宽度增加而显著增大。煤柱宽度分别增大至9 m和10 m时，巷道煤柱帮垂直应力峰值分别为28.78 MPa和28.84 MPa，表明当煤柱宽度大于8 m时，巷道煤柱帮垂直应力峰值随煤柱宽度的增大无显著变化。由此可知，当煤柱宽度小于8 m时，煤柱承载能力较低，不足以承载上覆岩层重量，随着煤柱宽度的增加巷道煤柱帮垂直应力峰值才大幅度增长；而当煤柱宽度增加至8 m时，其承载能力达到支承上覆岩层重力的要求，故随着煤柱宽度的继续增大，巷道煤柱帮垂直应力峰值无显著增长。

图3 不同煤柱宽度下巷道煤柱帮垂直应力分布规律

3 沿空掘巷支护设计及效果评价

3.1 沿空掘巷支护设计

基于3#煤已掘巷道支护参数和334工作面工程地质条件，提出“锚、网、索、带”联合支护方式对334轨道顺槽进行支护。巷道支护断面设计如图4。

图4 巷道支护断面图

（1）锚杆。顶板采用MSGLW-500/22×2200左旋无纵肋螺纹钢树脂锚杆，托盘采用150 mm×150 mm×10 mm正方形碗状钢托盘；巷帮采用MSGLD-500/20×1800左旋等强螺纹钢式树脂锚杆，托盘采用100 mm×100 mm×10 mm正方形碗状钢托盘。顶板和巷帮锚杆均垂直于岩面施工。顶板和巷帮锚杆间排距均为800 mm×950 mm。顶板锚杆每孔使用MSCKb2350型和MSCKb2370型锚固剂各1卷，巷帮锚杆每孔使用MSCKb2370型锚固剂1卷。菱形网选用LW-50/4-SZ型菱形网。顶板采用T型钢带（配专用托盘），巷帮采用钢筋梯支护。钢筋梯采用Φ10 mm圆钢加工，宽80 mm。

（2）锚索。顶板采用SKP18-1/1860×7000矿用锚索，采用“二0二”方式布置，间排距为2000 mm×1900 mm，每孔使用MSCKb2370型锚固剂2卷和MSCKb2350型锚固剂1卷。锚索托盘采用Q345B材质碳素结构钢板加工制成蝶形托盘，规格为300 mm×300 mm×16 mm，预紧力不小于150 kN。

3.2 支护效果评价

为了检验护巷窄煤柱留设宽度为8 m沿空掘巷的合理性，在334轨道顺槽内布置2组位移测点，对334轨道顺槽掘进期间巷道表面围岩变形情况进行监测，每2 d对测点数据观测一次并记录，累计观测一个月。334轨道顺槽表面变形情况如图5。

图5 巷道表面变形规律

由图5可知，334轨道顺槽沿空掘进16 d范围内时，巷道表面变形量呈快速增长趋势。在巷道掘进16 d时，测点1和测点2所监测到的巷道两帮移近量分别为78.36 mm和69.92 mm，顶底板移近量分别为62.33 mm和67.26 mm。在巷道掘进16 d以后，巷道表面变形量增长幅度逐渐减小，最终趋于稳定。在巷道掘进30 d时，测点1和测点2所监测到的巷道两帮移近量分别为105.32 mm和100.59 mm，顶底板移近量分别为97.17 mm和85.47 mm。巷道表面变形量处于工程允许范围内，能够满足334综采工作面安全生产要求。由此可见，334轨道顺槽采用沿空掘巷技术时留8 m宽的煤柱是合理有效的。

4 结语

（1）基于杨村煤矿334综采工作面生产地质条件，理论计算求得334轨道顺槽沿空掘巷护巷窄煤柱的合理宽度为7.26～8.45 m。

（2）采用FLAC3D数值模拟软件，对比分析了护巷窄煤柱宽度为6 m、7 m、8 m、9 m和10 m时巷道334轨道顺槽垂直应力分布规律。结果表明：煤柱宽度小于8 m时，巷道煤柱帮垂直应力峰值随煤柱宽度增加而显著增大；煤柱宽度大于8 m时，巷道煤柱帮垂直应力峰值随煤柱宽度的增大无显著变化。

（3）现场实测结果表明：留8 m宽的护巷窄煤柱对334轨道顺槽进行沿空掘巷时，巷道表面变形量处于工程允许范围内，能够满足334综采工作面安全生产要求。