特厚煤层沿空掘巷煤柱宽度优化及巷道支护设计

王少卿

(晋能控股山西科学技术研究院， 山西 太原 030006)

区段护巷煤柱能够隔离相邻的采空区与工作面，避免采空区对下区段工作面回采造成影响。巷道在掘进或回采过程中，煤柱宽度过大，虽然有利于巷道的保持，但浪费了煤炭资源；煤柱宽度过小，会降低煤柱自身稳定性，导致巷道支护困难。因此，设定合理的区段护巷煤柱宽度，是控制工作面巷道围岩变形，提高回采巷道稳定性，提高一次性资源利用率的关键途径[1-3]. 为降低煤柱宽度，减少煤炭资源浪费，张鹏鹏等[4]应用采空侧基本顶断裂力学模型，计算出煤柱宽度的合理区间。赵宾等[5]认为煤柱稳定性主要受上方基本顶断裂及采动活动的影响，采用“象限法”减小区段护巷煤柱宽度。杨艳军[6]采用UDEC数值模拟结合现场实际进行研究,揭示了不同护巷煤柱宽度对采空侧巷道围岩侧向支承应力分布的影响。

1 工程背景

山西省宁武煤田朔南矿区麻家梁煤矿采用综采长壁放顶煤采煤法。其中4号煤层为主采煤层，位于山西组下部，结构复杂，含0～9层夹矸。煤层倾角5°左右，属缓倾斜煤层，煤层厚度9～10 m，属全区可采的稳定煤层。煤种为中灰、低硫。低磷、中高热值的长焰煤，是很好的动力、炼油、食品和酿造业用煤。煤层瓦斯含量小，便于开采，矿井条件十分优越。

14205工作面顺序开采单巷掘进，留19.5 m区段煤柱，邻近工作面辅运巷受上区段工作面采空区影响，矿压显现明显，巷道变形严重几乎闭合。开采实践表明，为避开强采动影响，合理的区段煤柱宽度至少为50 m，有中间废弃巷道时合理的区段煤柱宽度甚至为60 m，对煤炭资源造成浪费。因此，亟需优化区段护巷煤柱宽度，提高综放开采的煤炭资源回收率。14205工作面布置见图1.

图1 14205工作面布置示意图

2 14205工作面煤柱宽度优化方案设计

2.1 数值模拟方案

根据麻家梁煤矿工程地质条件及地应力测试的结果，对14204工作面采空区与14205工作面之间辅运巷合理护巷煤柱宽度的留设，通过FLAC3 D软件数值模拟，分析不同煤柱宽度条件下，煤柱自身稳定性和煤柱侧向低应力区域范围。

模型长、宽、高分别设定为120 m、100 m、65 m，单元格84 462，各岩层力学参数依据现场所取岩块经实验室力学实验测试结果，材料力学变形特征符合“摩尔-库伦”型[7]. 上表面应力值按照煤层埋深560 m时上覆煤岩层自重载荷计算；底边界固定于垂直方向，两侧边界和前后边界均固定于水平方向。跳采工作面回采巷道模拟宽度为5.5 m，高度为3.8 m.

基于4 m、7 m、12 m、17 m四种不同的煤柱宽度分别建立模型进行模拟，数值模拟中各岩层的力学参数参考实验室煤岩石力学实验结果，结合各岩层的物理力学参数，通过计算各岩层所承受的剪应力与其抗剪强度的差值，判断各岩层何时发生剪切破坏。

(1)

式中，fs为剪应力与抗剪强度差值；σ1为最大主应力；σ3为最小主应力，c为内聚力；φ为内摩擦角。当fs<0时，材料将发生剪切破坏。

该模型中各岩层的力学参数见表1.

表1 岩层的物理力学参数表

2.2 工作面应力分布规律

2.2.1 掘进期间应力分布特征

掘进期间不同煤柱宽度下煤柱内垂直方向应力分布云图见图2.

1) 垂直应力分布特征。

由图2分析得知，煤柱宽度为4 m，受上工作面开采和巷道开挖扰动的影响，煤柱破碎严重，不具备承载能力。煤柱宽度为7 m，其内部最大垂直应力大于原岩应力，形成一定的承载区域；此后随煤柱宽度增加，承载能力逐渐提高。煤柱宽度为12 m时，最大应力为22 MPa，应力集中系数为1.6，垂直应力明显高于原岩应力，煤柱的承载能力明显增强；煤柱宽度为17 m，煤柱内最大垂直应力为26 MPa，应力集中系数为1.9，煤柱承受的压力过大。因而煤柱宽度为7～12 m为宜。

图2 掘进期间不同煤柱宽度煤柱内垂直应力云图

2) 水平应力分布特征。

由图2分析得知，煤柱宽度为4 m、7 m、12 m、17 m时，煤柱中水平应力均明显小于垂直应力。垂直应力是使煤柱保持稳定的关键。因此，煤柱宽度在7～12 m时，在煤柱中部有明显的高应力分布，形成稳定的承载区域，此时最大水平应力为8 MPa，有利于煤柱的稳定。

2.2.2 回采期间应力分布特征

回采期间不同煤柱宽度下巷道围岩内垂直方向应力分布云图见图3.

图3 回采期间不同煤柱宽度煤柱内垂直应力云图

受本工作面超前支承应力和上一工作面侧向支承应力共同影响，回采阶段煤柱内垂直应力随煤柱宽度的增加而增大，在巷道实煤体侧，煤体内垂直应力逐渐减小但变化幅度较小，应力值基本保持稳定。

煤柱宽度为4 m，其内部垂直应力小于原岩应力，不具备承载能力。煤柱宽度为7～12 m，其内部垂直应力显著高于原岩应力，应力集中系数接近2，应力峰值向煤柱内转移，形成显著承载区域。煤柱宽度大于17 m，其内部垂直应力值升高，应力集中系数过大，易造成煤柱失稳，巷道变形。

2.2.3 巷道围岩塑性区分布特征

不同煤柱宽度下煤柱内以及巷道周围塑性区分布情况见图4.

图4 巷道围岩塑性区分布特征图

煤柱宽度为4 m，底板破坏范围和破坏形式基本对称，浅部主要为拉伸破坏，深部主要为剪切破坏。煤柱宽度为7 m，煤柱左右边缘主要为拉伸破坏，内部主要为剪切破坏，且内部剪切破坏范围随着煤柱的增大而增大。由此可以看出，承载能力随着煤柱变宽在缓慢增强。随煤柱宽度的进一步增加，中部煤柱深度剪切破坏，煤柱稳定区域扩大，承载能力提高。煤柱宽度为12 m，底板深度破坏区发育范围缩小，煤柱对底板破坏强度减弱。底板岩层破坏范围和破坏形式对称，浅部主要为拉伸破坏，深部主要为剪切破坏。

2.3 合理煤柱宽度的确定

综上所述，通过比较4 m、7 m、12 m、17 m四种不同煤柱宽度条件下煤柱内水平应力、垂直应力的分布特征，巷道围岩及煤柱内塑性区的分布特征，确定合理煤柱宽度为7～12 m.

3 14205辅运巷锚杆支护参数设计

3.1 数值模拟方案

根据生产地质条件以及麻家梁煤矿现有的支护材料参数，利用有限差分软件FLAC3D软件建立了数值模拟模型，见图5，模型上边界视为均布载荷，模型底边界垂直方向固定，左右边界水平方向固定。

图5 巷道支护数值计算模型图

针对14205辅运巷掘巷期间的具体条件，提出5种辅运巷支护参数方案，具体比较方案见表2，其中顶部和两帮锚杆规格为d22 mm、L2 400 mm、BHRB500的高强让压锚杆；顶锚索规格为d21.8 mm、L9 000 mm的19股钢绞线锚索，煤柱帮锚索规格为d21.8 mm、L6 300 mm的19股钢绞线锚索。

表2 不同方案巷道支护参数比较表

3.2 掘巷阶段围岩变形规律分析

不同支护参数下，掘巷阶段巷道围岩垂直位移和水平位移变化见图6.

掘巷阶段，不同锚杆支护参数下巷道围岩整体变形量不大。支护参数由方案1改变到方案3时，巷道顶板及两帮锚索、锚杆间排距逐渐减小，支护强度逐渐增加，巷道顶底板及两帮移近量逐渐减小，顶底板移近量减小160 mm左右，两帮移近量减小140 mm左右，变化较为明显；巷道支护方案由方案3过渡至方案5时，巷道顶底板移近量和两帮移近量基本无变化。由此可知，方案3即可满足支护强度要求。

3.3 回采阶段围岩变形规律分析

不同支护参数下，回采阶段巷道围岩垂直位移变化见图7.

回采阶段，不同锚杆支护参数下巷道围岩变形量有较大差别。支护参数由方案1改变到方案4，巷道底鼓量和顶板下沉量明显减小，巷道顶底板移近量大幅度降低。支护参数方案4与方案5相比较，巷道底鼓量、顶底板移近量基本无变化。

图7 回采期间不同支护方案巷道位移变化曲线图

考虑围岩锚固体的承载能力和经济效益，最终确定回采阶段的锚杆支护方案为方案4.

3.4 巷道支护方案与锚杆参数的确定

由于14205工作面辅运巷支护参数要同时满足掘进阶段和本工作面回采阶段的正常生产需求，因此选取支护强度更高的方案4作为最终方案，具体巷道支护断面图见图8.

图8 14205工作面辅运巷锚杆锚索支护断面图

巷道支护参数包括材质、直径、锚固长度、间排距、预紧力等。

1) 材质、直径和锚固长度。

顶部和两帮锚杆采用d22 mm、L2 400 mm、BHRB500的高强让压锚杆，尾部配套使用规格为150 mm×150 mm×10 mm的碟形钢托盘。顶板W钢带规格5 200 mm×280 mm×3 mm，帮部W钢带规格为300 mm×300 mm×3.75 mm；顶板锚索规格为d21.8 mm、L9 300 mm的19股钢绞线锚索，锚索尾部配套使用规格为300 mm×300 mm×16 mm的碟形钢托盘；煤柱帮锚索规格为d21.8 mm、L6 300 mm的19股钢绞线锚索，锚索尾部配套使用规格为300 mm×300 mm×16 mm的碟形钢托盘。

2) 间排距。

顶板锚杆间排距为900 mm×800 mm；两帮锚杆间排距为800 mm×800 mm；顶板锚索间排距为1 800 mm×1 600 mm；煤柱帮锚索间排距为1 600 mm×1 600 mm.

3) 预紧力。

选择锚杆预紧力为锚杆屈服载荷的30%～50%. 因此，螺纹钢锚杆预紧扭矩不低于200 N·m. 锚索的预紧力应更大，根据我国煤矿巷道条件和现有锚索规格及张拉设备，锚索预紧力一般为其拉断载荷的40%～70%. 因此，确定锚索预紧力不低于10～12 t.

4) 网格材质及规格。

顶板和煤柱侧使用d6 mm钢筋网，网格规格100 mm×100 mm，实体煤帮采用8#铅丝网。混凝土地坪厚度200 mm，强度C30.

4 结 论

1) 麻家梁煤矿14205辅运巷原煤柱留设宽度为19.5 m，巷道围岩变形较大。通过数值模拟确定合理煤柱宽度为7～12 m. 此时侧向煤体处于应力降低区，变形较小且趋于稳定，能够控制巷道围岩变形，有效提高煤炭采出率。

2) 利用有限差分软件FLAC3D软件建立数值模拟模型，比较5种不同支护方案下，掘巷和回采两阶段围岩变形规律，确定方案4为最终巷道支护方案。