沿空掘巷煤柱宽度尺寸优化研究

宫东豪 王海川

（陕西彬长胡家河矿业有限公司，陕西 咸阳 713600）

沿空掘巷留小煤柱的目的是将巷道与采空区隔离，防止采空区的水与有害气体串入巷道，危及安全生产[1]。煤柱宽度对巷道的维护状况起决定作用，若煤柱过小，由于靠采空侧的煤柱受支承力的影响已呈塑性，容易失稳，片帮严重[2-3]。陕西彬长胡家河矿业有限公司之前沿空掘巷留设煤柱宽度为4 m，导致巷道围岩变形严重，亟须对目前401110 工作面回风巷沿空掘巷煤柱宽度进行合理优化来保障巷道围岩稳定[4-9]。

1 概况及变形特征分析

1.1 工程地质概况

401110 工作面埋深660 m 左右，开采4#煤层，煤层平均厚度为23 m。工作面伪顶为0.7 m 厚的泥岩；直接顶为平均厚度5 m 的砂质泥岩，岩石饱和抗压强度为0.6～25.8 MPa；基本顶为厚10.2～20.0 m 的粗砂岩，饱和抗压强度为6.7～17.2 MPa；工作面伪底为0.6 m 厚的泥岩；直接底为平均厚度4 m的铝质泥岩，岩石饱和抗压强度为0.8～23.3 MPa。401109 工作面已经回采结束，401110 工作面回风巷沿着401109 面采空区留小煤柱掘进，401110 工作面回风巷为矩形断面，掘宽5.8 m，掘高3.9 m，净断面17.4 m2。

1.2 巷道围岩变形特征

（1）围岩变形速率快

沿空掘巷初期巷道围岩变形严重，顶板下沉量明显，前期围岩变形速率可达20 mm/d，巷道两帮收敛变形速率可达32 mm/d。顶板和两帮围岩变形速率较大，巷道围岩变形速率亟须得到控制。

（2）围岩两帮变形量大

沿空掘巷初期巷道两帮围岩收敛变形，两帮部分网片损坏，锚杆被剪断，最大变形量可达1.1 m，掘巷煤柱帮变形量大于实体帮变形量。

（3）围岩底鼓量大

因沿空掘巷其巷道围岩伪底和直接底岩性为泥岩，抗压强度底，掘巷过程中应力较集中，导致底板底鼓明显，巷道底鼓量最大可达0.6 m。

2 合理窄煤柱宽度的确定

2.1 模型的建立

根据401110 工作面具体的工程概况，借助数值模拟软件FLAC3D建立模型大小为：长×宽×高=200 m×120 m×40 m，设定模型四个侧面为水平移动边界，底部为固定边界。数值模拟图如图1。

图1 数值模拟图

2.2 模拟结果分析

模拟沿空掘巷不同煤柱宽度分别为3 m、4 m、5 m、6 m、7 m、8 m、9 m 和10 m 情况下，401110工作面回风巷顶底板和两帮围岩变形量，结果如图2。

图2 不同煤柱宽度沿空掘巷围岩变形量图

由图2（a）可知，当沿空掘巷不同煤柱宽度分别为3 m、4 m、5 m、6 m、7 m、8 m、9 m 和10 m 时，巷道两帮变形量开始逐渐减少。当煤柱宽度为3 m时，巷道两帮最大变形量为430 mm。当煤柱宽度分别为6 m、7 m、8 m、9 m 和10 m 时，巷道两帮最大变形量分别为160 mm、150 mm、130 mm、110 mm 和100 mm，分别是煤柱宽度3 m 时巷道两帮围岩变形量的37.2%、34.8%、30.2%、25.5%和23.2%。

由图2（b）可知，当沿空掘巷煤柱宽度分别为3 m、4 m、5 m、6 m、7 m、8 m、9 m 和10 m 时，巷道顶底板变形量开始逐渐减少。当煤柱宽度为3 m、4 m 和5 m 时，巷道顶底板最大移近量为242 mm、215 mm、189 mm，即煤柱宽度在6 m 以下巷道围岩顶底板变形量较大，沿空掘巷煤柱尺寸范围在6～10 m 可保障巷道围岩稳定。煤柱宽度太大会造成煤炭资源损失，综合分析，取煤柱宽度为8 m，既经济又能够保证巷道围岩稳定性。

3 沿空掘巷围岩控制方案

401110 工作面回风巷采用锚网索联合支护，支护参数如下：

（1）顶板支护。采用Ⅱ级左旋螺纹钢筋，直径为22 mm、长2500 mm 的锚杆，共打设8 根锚杆，间排距为700 mm×800 mm，与八孔W 型钢带及Q235 规格为150 mm×150 mm×12 mm 的碟型托盘配套使用。顶板锚索采用Ф21.8 mm×7100 mm 钢绞线，共打设5 根锚索，间排距为1300 mm×800 mm，配套使用300 mm×300 mm×16 mmQ235 碟形托盘。每根锚索使用1 支K2360 和2 支Z2360 型树脂药卷。锚索预应力不小于200 kN。

（2）两帮支护。帮部采用全短锚索支护，左帮采用Ф15.24 mm×3500 mm、右帮采用Ф21.8 mm×3500 mm 钢绞线锚索支护及异形钢带，两帮各布置5 根锚索，间排距为800 mm×800 mm，每根锚杆（锚索）使用1 支K2360 和1 支Z2360 型树脂锚固剂。单根锚索预应力不小于120 kN。如图3所示。

图3 沿空掘巷支护断面图（mm）

4 监测效果分析

为检验401110 工作面回风巷留设8 m 宽的护巷煤柱并采用锚网索支护的合理性，分别在巷道200 m 和300 m 处各布置一个测站，来监测巷道顶底板和两帮移近量，监测周期为40 d，监测频率为2 d/次，监测结果如图4。

图4 沿空掘巷围岩变形监测图

由图4 可知，在掘进前15 d 巷道围岩变形量不断增加，顶底板移近量达110 mm，变形速率为7.3 mm/d，两帮移近量达180 mm，变形速率为12 mm/d；22 d 后巷道顶底板和两帮围岩变形量开始逐渐趋于稳定，巷道顶底板围岩移近量稳定在178 mm，两帮围岩移近量稳定在272 mm。支护效果良好，能够保证围岩整体的稳定性。

5 结语

根据401110 工作面具体工程概况，模拟沿空掘巷不同煤柱宽度分别为3 m、4 m、5 m、6 m、7 m、8 m、9 m 和10 m 情况下的围岩变形量，可知煤柱宽度不断增大时，巷道围岩变形量开始逐渐减少。煤柱宽度8 m 时，既经济又能够保证围岩稳定性。对回风巷进行锚网索联合支护后，现场监测结果表明：顶底板围岩移近量稳定在178 mm，两帮围岩移近量稳定在272 mm，能够保证矿井安全生产。