庞庞塔矿特厚煤层沿空掘巷技术研究与应用

杨云刚，靳晓伟，闵伟森

（霍州煤电集团吕临能化有限公司庞庞塔煤矿，山西 临县 033200）

0 引 言

随着开采时间的延长和开采强度的增大，煤矿的开采深度加大，原岩应力变大，工作面之间的区段保护煤柱的宽度也越来越大。过宽的煤柱尺寸不仅造成了资源的浪费而且形成了应力集中，对下组煤的回采造成了困难。为此，沿空掘巷、沿空留巷等窄煤柱甚至无煤柱护巷技术得到了广泛的应用[1-4]。霍州煤电庞庞塔矿10 号煤为特厚煤层，在一采区、七采区回采时煤柱宽度为20 m。为提高资源的回收率，决定在10 采区进行沿空掘巷的实验。

1 工程概况

霍州煤电庞庞塔矿的可采煤层有5上、5、10 号煤层，其中10 号煤的见煤点厚度为3.6～13.3 m，平均11.8 m，属特厚煤层。煤层平均倾角15°，结构复杂，一般含1～4 层0.2 m 左右的炭质泥岩夹矸。煤层盖山厚度322～409 m，顶底板情况如图1 所示。

图1 10 号煤顶底板岩性

10 号煤瓦斯含量较小，无自燃现象，但煤尘具有爆炸性。10-101 工作面采用综合机械化走向长壁放顶煤开采，割煤高度3.0 m，放煤高度8.8 m，工作面长度200 m。10-101 工作面位于10 采区，其中1012 巷为工作面运输巷，巷道断面为矩形，规格为4 700 mm×3 500 mm，拟进行沿空掘巷的实验。

2 煤柱宽度的理论计算

沿空掘巷的关键在于合理确定区段保护煤柱的宽度，宽度大，不仅造成煤炭资源的浪费，而且煤柱长期出于侧向支承压力影响范围内，不利于巷道的稳定，宽度小则自身稳定性差，鼓帮严重，影响巷道的正常使用。

2.1 塑性区宽度的计算

工作面推进一定距离之后，工作面开切眼及支架后方的顶板首先出现断裂线，随着继续推进，两巷处的顶板断裂，并最终与长边的断裂线贯通，由此工作面初次来压。之后随着继续推进，顶板周期性垮落，不断形成新的结构块。巷道直接顶、基本顶及上覆岩层形成大结构，而巷道的锚杆索支护体等形成小结构，大小结构共同维持巷道的稳定[5-6]。

沿空掘巷时，工作面顶板垮落后，在实体煤侧形成固支，破断线呈弧形，形成弧形三角块B，该岩块对留巷的稳定性影响最大，为关键块。研究该关键块的参数，是合理确定煤柱合理宽度的前提。

关键块B 的参数主要包括走向和倾向的长度以及破断位置等，如图2 所示。

图2 关键块B 的主要参数示意图

式中，m为工作面采高；A为侧压系数；φ0为煤体内摩擦角；C0为煤体内聚力；K为应力集中系数；γ为上覆岩层容重；H为巷道埋深；Pz为上区段煤帮支护阻力。

代入以上数据，计算得X0=4.7 m。

2.2 区段煤柱宽度计算

采用极限平衡理论计算区段保护煤柱的宽度B，如式（2）所示。

式中：X1为巷道掘进产生的塑性区半径；k为富余系数，一般取1.15～1.35。

根据庞庞塔矿10 号煤的具体条件，代入计算可得，区段保护煤柱的宽度为6.5～9.5 m。

3 数值模拟分析

3.1 岩石力学参数的确定

为确定10 号煤层顶底板的岩石力学参数，为数值模拟提供基础数据，在井下打钻取芯，实验室进行了力学参数的测试，结果如表所示。

表1 10 号煤顶底板岩石力学参数

3.2 上工作面回采的影响

采用FLAC3D软件对不同煤柱宽度、不同巷道状态下的应力情况进行数值模拟分析。模型尺寸为500 mm×300 m，未模拟岩层按等效载荷代替。模型中层理弱面用INTERFACE 模拟。

工作面回采过后，周边的围岩应力重新分布，出现卸压和应力集中的区域，工作面上端头侧的应力分布如图3 所示。

图3 端头应力分布云图

由图可以看出，卸压区域主要集中在工作面顶板，而工作面端头则出现了应力集中，且9 m 范围之内为卸压区，9～16 m 为应力集中区，即图中的蓝色区域，最高垂直应力达到31 MPa。

根据上工作面回采后的应力分布特征，并结合理论计算的结果，煤柱宽度应在6.5～9.0 m 范围之内。为此，在原模型的基础上对 6、7、8、9 m 不同煤柱宽度下的二次回采影响下应力分布特征进行分析。

3.3 本工作面回采影响

数值模拟结果表明，受本工作面回采影响，不同尺寸的区段保护煤柱均有较大变形，取煤层底板以下3 m 沿倾向作1 条观测线，绘制垂直应力分布曲线，各方案的应力分布曲线见图4。

图4 不同煤柱宽度下垂直应力分布

对比发现，不同煤柱宽度下的底板围岩应力均低于原岩应力，处于应力降低区。随着宽度的增大，区段保护煤柱中部逐渐出现了有利于煤柱稳定的弹性核区，其中9 m 煤柱时弹性核区的宽度最大，为2.0 m，并且弹性和区的能量由6 m 煤柱时的5 500 J 增长至15 000 J，煤柱的承载能力明显提高。并且随着宽度在增大，应力传播曲线发生较大变化，煤柱宽度9 m 时，应力传播曲线呈平底状，可以承受较高的应力。

综合理论计算和数值模拟分析的结果，确定庞庞塔矿10 号煤特厚煤层综放工作面沿空掘巷的区段保护煤柱为9.0 m。

4 沿空掘巷支护方案及应用效果

4.1 支护方案

结合理论计算和工程类比，并利用FLAC3D进行模拟分析对比，最终确定10-1012 巷的支护方案如图5 所示。

图5 2-105 运输巷巷支护方案

4.1.1 顶板支护

1）锚杆支护。顶锚杆为φ20 mm×2 400 mm 的左旋无纵筋高强螺纹钢锚杆，配CK2335 和CK2360树脂药卷各1 卷锚固，每排布置6 根，间排距为800 mm×900 mm。每排锚杆用厚度5 mm 的W 钢带连接。

（2）锚索支护。顶锚索规格为φ21.6 mm×9 400 mm，采用1×19 丝钢绞线制成。钻孔深度为9 m，配3 卷CK2360 树脂药卷锚固。锚索呈“五花”布置，排距为0.9 m。

4.1.2 巷帮支护

实体煤帮采用φ20 mm×2 000 mm 左旋无纵筋螺纹钢锚杆，配1 卷CK2360 树脂锚固剂，间排距为900 mm×900 mm，最上位锚杆距顶300 mm，每排4根，两端的锚杆分别向上和向下倾斜15°，其余垂直巷帮布置。

回采煤帮采用玻璃钢锚杆，锚杆布置和锚固剂用量等参数与实体煤帮相同。

4.2 应用效果

10-1012 巷掘进过程中设置测站，采用十字布点法对巷道表面位移进行观测。其中3 号测站位于开后以里100 m 处，其观测结果如图8 所示。

图8 3 号测站矿压观测结果

由于可以看出，成巷后巷道变形平缓，变形的阶段性特征不明显，两帮收敛的最大速度约为6 mm/d，顶板下沉的最大速度约为4 mm/d。掘进32d后巷道变形基本稳定，顶板最大下沉约为22 mm，两帮收敛约为42 mm。

安装的顶板离层指示仪显示，顶板浅部出现离层，离层值约为11 mm，深度基点稳定，为巷道上方顶煤出现整体下沉。

5 结 论

（1）工作面顶板垮落后，破断线为弧形，在巷道边缘形成弧形三角块B，该岩块对留巷的稳定性影响最大，为关键块。

（2）区段保护煤柱中部弹性核区的宽度与煤柱宽度近似呈正比，结合理论计算，确定10-1012 巷的区段保护煤柱宽度为9.0 m。

（3）庞庞塔矿10-1012 巷沿空掘巷的矿压观测表明，巷道表面位移小、深度基点稳定，可满足生产的要求，为特厚煤层沿空掘巷设计提供参考。