沿空掘巷窄煤柱合理寬度及圍巖控制技術研究

張雪峰

（山西新景礦煤業有限責任公司，山西 陽泉 045000）

0 引言

煤柱尺寸是影響巷道圍巖穩定性的主要因素之一[1-3]。確定合理的煤柱尺寸對巷道支護設計非常重要[4-5]。煤柱的穩定性取決于煤柱的荷載、寬度、形狀以及煤柱和圍巖的力學性能。如果煤柱寬度增大，煤柱就會穩定，但可能會損失更多的煤炭資源。同時，如果選擇較小的煤柱寬度，煤柱會發生斷裂，從而威脅到開采安全，但可以回收更多的煤炭資源。因此，煤炭回收率與巷道變形之間存在矛盾。如何設計合理的煤柱尺寸是采礦工程面臨的難題。合理的煤柱寬度不僅能減少煤柱變形，降低維護成本，還能最大限度地回收煤炭資源[6-8]。

本文根據某煤礦3217 工作面運輸巷的具體地質條件，并根據理論計算得出巷道窄煤柱合理尺寸，并將相應的圍巖控制技術應用于現場。該研究成果降低了支護難度和維護成本，實現了煤炭資源的安全高效開采。

1 工程背景

山西新景礦煤業有限責任公司3217 回風巷井下位于佛洼3 號煤采區南翼中部，東為3215 工作面（已采），南隔太舊高速公路保護煤柱為井田邊界，西為3219 工作面（未掘），北隔采區大巷為3218 工作面（已掘）。巷道均為沿3 號煤頂底板掘進的全煤巷道，當煤層變薄時，沿煤層頂板、底板施工。

3217 回風巷所掘3 號煤層賦存穩定，結構簡單，屬中灰、低硫的優質無煙煤，煤層以鏡煤、亮煤為主，內生裂隙發育。煤層平均厚2.56 m，平均傾角5°，層理和節理發育。

回風巷設計長度為1 587.6 m，巷道斷面長×寬=5 200 mm×2 900 mm。工作面走向長度為1 560 m，傾斜長度為420 m。工作面采用沿走向后退長壁開采法、全機械化頂煤崩落技術和全崩落法處理煤層。煤層頂底板情況如表1 所示。

表1 煤層頂底板情況

2 巷道窄煤柱合理寬度的確定

2.1 窄煤柱合理寬度理論計算

合理選擇沿矸巷道窄煤柱寬度是巷道掘進與支護技術的關鍵環節之一。煤柱尺寸過大或過小都不利于巷道圍巖支護和維護。影響煤柱寬度的主要因素包括開采深度、煤層傾角、煤柱極限強度、煤層與巖層接觸界面的摩擦角、煤層與巖層接觸面的黏聚力、支護阻力、開采擾動系數、巷道對煤柱的橫向限制等[9-11]。煤柱合理寬度的計算模型如圖1 所示。

圖1 煤柱合理寬度計算模型

煤柱寬度的計算公式為：

其中，X1為上工作面開采后，煤體在巷道側產生的塑性區寬度，其值按下式計算：

式中：B 為煤柱寬度；m 為巷道高度，3.2 m；A 為水平壓力系數，取0.38；φ0為煤層界面內摩擦角，取30°；C0為煤層界面黏聚力，取5.0 MPa；k 為應力集中系數，取3；γ 為上覆地層平均容重，取25 kN/m3；H 為巷道深度，取500 m；pZ為錨桿對煤側的支護阻力，取0.15 MPa；X2為錨桿有效長度，2.5 m；X3為考慮煤層厚度較大的煤柱寬度富余量，一般按X1+X2值的15%～35%計算。

將巷道圍巖力學參數和假定支護參數代入上式，可得到沿巷道窄煤柱寬度的理論值，即3217 工作面沿空掘巷留設窄煤柱寬度范圍為5.4～6.5 m。

2.2 窄煤柱合理寬度數值計算

結合3217 工作面地質條件，建立三維計算模型，尺寸為400 m（長）×450 m（寬）×50 m（高），模型的前、后、左、右邊界為水平約束；底部邊界為完全約束，即水平和垂直方向固定；在模型頂部施加2.0 MPa 法向垂直應力，以模擬覆土重量。在留設煤柱寬度范圍為2～10 m 條件下，分析掘進3217 回風巷及回采工作面過程中圍巖的變形特征，從而確定煤柱的合理寬度。不同煤柱寬度下應力位移變化如圖2 所示。

圖2 不同煤柱寬度下應力位移變化曲線圖

由圖2 可知，在相同條件下，窄煤柱應力隨窄煤柱寬度的增大而增大。窄煤柱寬度為2 m 時，破壞較嚴重，需加強窄煤柱側的支護來控制巷道圍巖的穩定；煤柱寬度為2～5 m 時，窄煤柱垂直應力增加速度較大，表明煤柱破壞程度減弱；煤柱寬度為5～8 m 時，窄煤柱垂直應力增加速度緩慢；8～10 m 時，窄煤柱垂直應力增加速度又開始增大，此時巷道圍巖表面所受到的應力較大，不利于巷道圍巖的穩定及后期煤炭資源的回收。同時，窄煤柱的寬度范圍為2～5 m 時，煤柱位移降幅較大；窄煤柱的寬度范圍為5～8 m 時，煤柱位移降幅較??；窄煤柱的寬度范圍為8～10 m 時，煤柱位移又開始有較大的降幅。

窄煤柱的寬度范圍為5～10 m 時，巷道圍巖變形量整體有所降低，但是當煤柱寬度不斷增大時，巷道圍巖的變形量有限，易造成煤炭資源的浪費。結合理論計算值及現場應用情況，確定窄煤柱寬度取值為6 m。

3 巷道圍巖變形控制技術

3.1 頂板支護

錨桿采用Ф20 mm×2 000 mm 的左旋螺紋鋼錨桿，錨桿間排距為800 mm×1 000 mm。錨桿與巷幫之間的距離為600 mm，與垂直方向呈20°向兩側傾斜布置，其余4 根錨桿垂直于頂板；錨索采用Ф21.6 mm×6200mm鋼絞線錨索，錨索間距為1600mm×2000mm，垂直于頂板打設。

3.2 兩幫支護

錨桿采用Ф20 mm×2 000 mm 的左旋螺紋鋼錨桿，錨桿間排距為700 mm×1 000 mm。錨桿與頂板之間的距離為400 mm，錨桿垂直于巷幫打設。

3.3 金屬網

巷道金屬網采用六邊形金屬網，規格為長×寬=5 000 mm×1 100 mm，使用16 號雙股聯網絲進行聯接。巷道支護方案如圖3 所示。

圖3 巷道支護方案圖（未標單位：mm）

4 現場工業試驗

3217 工作回風巷施工期間采用“十字布點法”對巷道圍巖表面進行監測，監測結果如圖4 所示。由圖4 可知，在巷道開挖過程中，頂底板變形量大于兩幫變形量，頂底板最大變形量為100 mm，兩幫的最大變形量為72 mm。

圖4 巷道圍巖變形監測曲線

3217 工作面回采期間產生的超前應力會對巷道圍巖穩定性造成一定的影響，在3217 工作面回采期間，布設測點，以監測巷道圍巖表面的變形，監測結果如圖5 所示。

圖5 回采期巷道圍巖變形監測曲線

由圖5 可知，在工作面回采期間，頂底板變形量大于兩幫變形量，頂底板最大變形量為188 mm，兩幫最大變形量為149 mm。巷道圍巖變形在可控范圍內，窄煤柱沿走向巷道也處于穩定狀態。同時巷道圍巖變形可分為3 個階段。第一階段為圍巖嚴重移動階段，距工作面約30 m，巷道圍巖面位移迅速增大；第二階段為圍巖運動平穩階段，距工作面約30～60 m，巷道圍巖面位移逐漸減小，并趨于穩定；第三階段為圍巖運動穩定階段，距工作面60 m 以外，巷道圍巖面位移變化較小。

綜合可知，6 m 寬窄煤柱及巷道支護方案設計滿足生產需要。

5 結論

1）根據理論計算，3217 工作面沿空掘巷留設窄煤柱寬度范圍為5.4～6.5 m，通過數值計算得出窄煤柱寬度為6 m。

2）現場試驗結果得出，在窄煤柱寬度取值6 m 以及對巷道采用“錨桿索+金屬網”聯合支護技術條件下，可以滿足工作面正常生產的需要。