沿空掘巷窄煤柱合理宽度及围岩控制技术研究

张雪峰

（山西新景矿煤业有限责任公司，山西 阳泉 045000）

0 引言

煤柱尺寸是影响巷道围岩稳定性的主要因素之一[1-3]。确定合理的煤柱尺寸对巷道支护设计非常重要[4-5]。煤柱的稳定性取决于煤柱的荷载、宽度、形状以及煤柱和围岩的力学性能。如果煤柱宽度增大，煤柱就会稳定，但可能会损失更多的煤炭资源。同时，如果选择较小的煤柱宽度，煤柱会发生断裂，从而威胁到开采安全，但可以回收更多的煤炭资源。因此，煤炭回收率与巷道变形之间存在矛盾。如何设计合理的煤柱尺寸是采矿工程面临的难题。合理的煤柱宽度不仅能减少煤柱变形，降低维护成本，还能最大限度地回收煤炭资源[6-8]。

本文根据某煤矿3217 工作面运输巷的具体地质条件，并根据理论计算得出巷道窄煤柱合理尺寸，并将相应的围岩控制技术应用于现场。该研究成果降低了支护难度和维护成本，实现了煤炭资源的安全高效开采。

1 工程背景

山西新景矿煤业有限责任公司3217 回风巷井下位于佛洼3 号煤采区南翼中部，东为3215 工作面（已采），南隔太旧高速公路保护煤柱为井田边界，西为3219 工作面（未掘），北隔采区大巷为3218 工作面（已掘）。巷道均为沿3 号煤顶底板掘进的全煤巷道，当煤层变薄时，沿煤层顶板、底板施工。

3217 回风巷所掘3 号煤层赋存稳定，结构简单，属中灰、低硫的优质无烟煤，煤层以镜煤、亮煤为主，内生裂隙发育。煤层平均厚2.56 m，平均倾角5°，层理和节理发育。

回风巷设计长度为1 587.6 m，巷道断面长×宽=5 200 mm×2 900 mm。工作面走向长度为1 560 m，倾斜长度为420 m。工作面采用沿走向后退长壁开采法、全机械化顶煤崩落技术和全崩落法处理煤层。煤层顶底板情况如表1 所示。

表1 煤层顶底板情况

2 巷道窄煤柱合理宽度的确定

2.1 窄煤柱合理宽度理论计算

合理选择沿矸巷道窄煤柱宽度是巷道掘进与支护技术的关键环节之一。煤柱尺寸过大或过小都不利于巷道围岩支护和维护。影响煤柱宽度的主要因素包括开采深度、煤层倾角、煤柱极限强度、煤层与岩层接触界面的摩擦角、煤层与岩层接触面的黏聚力、支护阻力、开采扰动系数、巷道对煤柱的横向限制等[9-11]。煤柱合理宽度的计算模型如图1 所示。

图1 煤柱合理宽度计算模型

煤柱宽度的计算公式为：

其中，X1为上工作面开采后，煤体在巷道侧产生的塑性区宽度，其值按下式计算：

式中：B 为煤柱宽度；m 为巷道高度，3.2 m；A 为水平压力系数，取0.38；φ0为煤层界面内摩擦角，取30°；C0为煤层界面黏聚力，取5.0 MPa；k 为应力集中系数，取3；γ 为上覆地层平均容重，取25 kN/m3；H 为巷道深度，取500 m；pZ为锚杆对煤侧的支护阻力，取0.15 MPa；X2为锚杆有效长度，2.5 m；X3为考虑煤层厚度较大的煤柱宽度富余量，一般按X1+X2值的15%～35%计算。

将巷道围岩力学参数和假定支护参数代入上式，可得到沿巷道窄煤柱宽度的理论值，即3217 工作面沿空掘巷留设窄煤柱宽度范围为5.4～6.5 m。

2.2 窄煤柱合理宽度数值计算

结合3217 工作面地质条件，建立三维计算模型，尺寸为400 m（长）×450 m（宽）×50 m（高），模型的前、后、左、右边界为水平约束；底部边界为完全约束，即水平和垂直方向固定；在模型顶部施加2.0 MPa 法向垂直应力，以模拟覆土重量。在留设煤柱宽度范围为2～10 m 条件下，分析掘进3217 回风巷及回采工作面过程中围岩的变形特征，从而确定煤柱的合理宽度。不同煤柱宽度下应力位移变化如图2 所示。

图2 不同煤柱宽度下应力位移变化曲线图

由图2 可知，在相同条件下，窄煤柱应力随窄煤柱宽度的增大而增大。窄煤柱宽度为2 m 时，破坏较严重，需加强窄煤柱侧的支护来控制巷道围岩的稳定；煤柱宽度为2～5 m 时，窄煤柱垂直应力增加速度较大，表明煤柱破坏程度减弱；煤柱宽度为5～8 m 时，窄煤柱垂直应力增加速度缓慢；8～10 m 时，窄煤柱垂直应力增加速度又开始增大，此时巷道围岩表面所受到的应力较大，不利于巷道围岩的稳定及后期煤炭资源的回收。同时，窄煤柱的宽度范围为2～5 m 时，煤柱位移降幅较大；窄煤柱的宽度范围为5～8 m 时，煤柱位移降幅较小；窄煤柱的宽度范围为8～10 m 时，煤柱位移又开始有较大的降幅。

窄煤柱的宽度范围为5～10 m 时，巷道围岩变形量整体有所降低，但是当煤柱宽度不断增大时，巷道围岩的变形量有限，易造成煤炭资源的浪费。结合理论计算值及现场应用情况，确定窄煤柱宽度取值为6 m。

3 巷道围岩变形控制技术

3.1 顶板支护

锚杆采用Ф20 mm×2 000 mm 的左旋螺纹钢锚杆，锚杆间排距为800 mm×1 000 mm。锚杆与巷帮之间的距离为600 mm，与垂直方向呈20°向两侧倾斜布置，其余4 根锚杆垂直于顶板；锚索采用Ф21.6 mm×6200mm钢绞线锚索，锚索间距为1600mm×2000mm，垂直于顶板打设。

3.2 两帮支护

锚杆采用Ф20 mm×2 000 mm 的左旋螺纹钢锚杆，锚杆间排距为700 mm×1 000 mm。锚杆与顶板之间的距离为400 mm，锚杆垂直于巷帮打设。

3.3 金属网

巷道金属网采用六边形金属网，规格为长×宽=5 000 mm×1 100 mm，使用16 号双股联网丝进行联接。巷道支护方案如图3 所示。

图3 巷道支护方案图（未标单位：mm）

4 现场工业试验

3217 工作回风巷施工期间采用“十字布点法”对巷道围岩表面进行监测，监测结果如图4 所示。由图4 可知，在巷道开挖过程中，顶底板变形量大于两帮变形量，顶底板最大变形量为100 mm，两帮的最大变形量为72 mm。

图4 巷道围岩变形监测曲线

3217 工作面回采期间产生的超前应力会对巷道围岩稳定性造成一定的影响，在3217 工作面回采期间，布设测点，以监测巷道围岩表面的变形，监测结果如图5 所示。

图5 回采期巷道围岩变形监测曲线

由图5 可知，在工作面回采期间，顶底板变形量大于两帮变形量，顶底板最大变形量为188 mm，两帮最大变形量为149 mm。巷道围岩变形在可控范围内，窄煤柱沿走向巷道也处于稳定状态。同时巷道围岩变形可分为3 个阶段。第一阶段为围岩严重移动阶段，距工作面约30 m，巷道围岩面位移迅速增大；第二阶段为围岩运动平稳阶段，距工作面约30～60 m，巷道围岩面位移逐渐减小，并趋于稳定；第三阶段为围岩运动稳定阶段，距工作面60 m 以外，巷道围岩面位移变化较小。

综合可知，6 m 宽窄煤柱及巷道支护方案设计满足生产需要。

5 结论

1）根据理论计算，3217 工作面沿空掘巷留设窄煤柱宽度范围为5.4～6.5 m，通过数值计算得出窄煤柱宽度为6 m。

2）现场试验结果得出，在窄煤柱宽度取值6 m 以及对巷道采用“锚杆索+金属网”联合支护技术条件下，可以满足工作面正常生产的需要。