厚煤層綜放工作面沿空掘巷窄煤柱合理寬度研究

張 浩

（山東能源集團(tuán)兗州煤業(yè)有限公司楊村煤礦，山東 濟(jì)寧 272067）

為降低工作面回采期間側(cè)向支承壓力對巷道穩(wěn)定的影響，厚煤層綜放開采時通常留設(shè)20～30 m寬的護(hù)巷煤柱，導(dǎo)致大量煤炭資源遺留井下[1-4]。留窄煤柱沿空掘巷技術(shù)憑借煤炭回采率高和可緩解采掘接替緊張等優(yōu)點，近年來在我國各大礦區(qū)得以廣泛應(yīng)用[5-7]。楊村煤礦作為典型的衰老礦井，煤炭可采儲量嚴(yán)重不足，為提高煤炭資源回采率，延長礦井服務(wù)年限，楊村煤礦334綜采工作面采用留窄煤柱沿空掘巷技術(shù)掘進(jìn)334軌道順槽。

1 工程概況

楊村煤礦主采3#煤，埋深196～219 m，煤層厚度6.9～8.0 m，平均7.88 m，煤層平均傾角4°，煤層結(jié)構(gòu)簡單，賦存穩(wěn)定，為全區(qū)可采煤層。3#煤頂?shù)装鍘r性情況見表1。

334綜采工作面北鄰331工作面采空區(qū)，南為實體煤，西為護(hù)巷煤柱，東為南翼三條大巷。334軌道順槽采用留窄煤柱沿空掘巷技術(shù)跟3#煤底板掘進(jìn)，巷道斷面為梯形，上部凈寬4400 mm，下部凈寬5000 mm，凈高3550 mm，設(shè)計總長度257.75 m。334軌道順槽布置情況如圖1。

圖1 334工作面布置示意圖

2 窄煤柱合理寬度的確定

2.1 窄煤柱合理寬度理論分析

合理的護(hù)巷窄煤柱寬度是決定沿空掘巷能否成功的關(guān)鍵。煤柱合理寬度計算模型如圖2。由極限平衡理論可知，煤柱合理寬度可由式（1）和式（2）進(jìn)行計算[8]：

圖2 護(hù)巷窄煤柱合理寬度計算模型圖

式中：B為窄煤柱寬度，m；x1為煤柱幫錨桿有效長度，取1.8 mm；x2為采空區(qū)側(cè)煤柱塑性區(qū)寬度，m；x3為煤柱安全系數(shù)，m，此處?。?.15～0.35）（x1+x2)；m為上一工作面巷道高度，取5.20 m；A為側(cè)壓系數(shù)，取0.43；φ為煤體內(nèi)摩擦角，取30°；H為巷道埋深，取207.7 m；k為應(yīng)力集中系數(shù)，取0.25；C0為3#煤粘聚力，取0.65 MPa；Cc為頂板巖層粘聚力，取6.80 MPa；γ為上覆巖層容重，取32 t/m3；P0為上一工作面支架阻力，取0。將數(shù)據(jù)分別帶入式（1）和（2）可解得窄煤柱合理寬度B=7.26～8.45 m，此處取8 m。

2.2 窄煤柱合理寬度數(shù)值模擬分析

2.2.1 數(shù)值模型建立

為進(jìn)一步確定煤柱合理寬度，以334軌道順槽為研究對象，采用FLAC3D數(shù)值模擬軟件分別研究了煤柱寬度為6 m、7 m、8 m、9 m和10 m時，334軌道順槽垂直應(yīng)力分布。334工作面煤巖層物理力學(xué)參數(shù)見表2。

表2 煤巖層物理力學(xué)參數(shù)

2.2.2 模擬結(jié)果與分析

沿空巷道煤柱幫垂直應(yīng)力與護(hù)巷煤柱寬度的關(guān)系如圖3。由圖3可知，煤柱寬度為6 m、7 m和8 m時，巷道煤柱幫垂直應(yīng)力峰值分別為12.57 MPa、21.68 MPa和28.37 MPa，表明巷道煤柱幫垂直應(yīng)力峰值隨煤柱寬度增加而顯著增大。煤柱寬度分別增大至9 m和10 m時，巷道煤柱幫垂直應(yīng)力峰值分別為28.78 MPa和28.84 MPa，表明當(dāng)煤柱寬度大于8 m時，巷道煤柱幫垂直應(yīng)力峰值隨煤柱寬度的增大無顯著變化。由此可知，當(dāng)煤柱寬度小于8 m時，煤柱承載能力較低，不足以承載上覆巖層重量，隨著煤柱寬度的增加巷道煤柱幫垂直應(yīng)力峰值才大幅度增長；而當(dāng)煤柱寬度增加至8 m時，其承載能力達(dá)到支承上覆巖層重力的要求，故隨著煤柱寬度的繼續(xù)增大，巷道煤柱幫垂直應(yīng)力峰值無顯著增長。

圖3 不同煤柱寬度下巷道煤柱幫垂直應(yīng)力分布規(guī)律

3 沿空掘巷支護(hù)設(shè)計及效果評價

3.1 沿空掘巷支護(hù)設(shè)計

基于3#煤已掘巷道支護(hù)參數(shù)和334工作面工程地質(zhì)條件，提出“錨、網(wǎng)、索、帶”聯(lián)合支護(hù)方式對334軌道順槽進(jìn)行支護(hù)。巷道支護(hù)斷面設(shè)計如圖4。

圖4 巷道支護(hù)斷面圖

（1）錨桿。頂板采用MSGLW-500/22×2200左旋無縱肋螺紋鋼樹脂錨桿，托盤采用150 mm×150 mm×10 mm正方形碗狀鋼托盤；巷幫采用MSGLD-500/20×1800左旋等強(qiáng)螺紋鋼式樹脂錨桿，托盤采用100 mm×100 mm×10 mm正方形碗狀鋼托盤。頂板和巷幫錨桿均垂直于巖面施工。頂板和巷幫錨桿間排距均為800 mm×950 mm。頂板錨桿每孔使用MSCKb2350型和MSCKb2370型錨固劑各1卷，巷幫錨桿每孔使用MSCKb2370型錨固劑1卷。菱形網(wǎng)選用LW-50/4-SZ型菱形網(wǎng)。頂板采用T型鋼帶（配專用托盤），巷幫采用鋼筋梯支護(hù)。鋼筋梯采用Φ10 mm圓鋼加工，寬80 mm。

（2）錨索。頂板采用SKP18-1/1860×7000礦用錨索，采用“二0二”方式布置，間排距為2000 mm×1900 mm，每孔使用MSCKb2370型錨固劑2卷和MSCKb2350型錨固劑1卷。錨索托盤采用Q345B材質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼板加工制成蝶形托盤，規(guī)格為300 mm×300 mm×16 mm，預(yù)緊力不小于150 kN。

3.2 支護(hù)效果評價

為了檢驗護(hù)巷窄煤柱留設(shè)寬度為8 m沿空掘巷的合理性，在334軌道順槽內(nèi)布置2組位移測點，對334軌道順槽掘進(jìn)期間巷道表面圍巖變形情況進(jìn)行監(jiān)測，每2 d對測點數(shù)據(jù)觀測一次并記錄，累計觀測一個月。334軌道順槽表面變形情況如圖5。

圖5 巷道表面變形規(guī)律

由圖5可知，334軌道順槽沿空掘進(jìn)16 d范圍內(nèi)時，巷道表面變形量呈快速增長趨勢。在巷道掘進(jìn)16 d時，測點1和測點2所監(jiān)測到的巷道兩幫移近量分別為78.36 mm和69.92 mm，頂?shù)装逡平糠謩e為62.33 mm和67.26 mm。在巷道掘進(jìn)16 d以后，巷道表面變形量增長幅度逐漸減小，最終趨于穩(wěn)定。在巷道掘進(jìn)30 d時，測點1和測點2所監(jiān)測到的巷道兩幫移近量分別為105.32 mm和100.59 mm，頂?shù)装逡平糠謩e為97.17 mm和85.47 mm。巷道表面變形量處于工程允許范圍內(nèi)，能夠滿足334綜采工作面安全生產(chǎn)要求。由此可見，334軌道順槽采用沿空掘巷技術(shù)時留8 m寬的煤柱是合理有效的。

4 結(jié)語

（1）基于楊村煤礦334綜采工作面生產(chǎn)地質(zhì)條件，理論計算求得334軌道順槽沿空掘巷護(hù)巷窄煤柱的合理寬度為7.26～8.45 m。

（2）采用FLAC3D數(shù)值模擬軟件，對比分析了護(hù)巷窄煤柱寬度為6 m、7 m、8 m、9 m和10 m時巷道334軌道順槽垂直應(yīng)力分布規(guī)律。結(jié)果表明：煤柱寬度小于8 m時，巷道煤柱幫垂直應(yīng)力峰值隨煤柱寬度增加而顯著增大；煤柱寬度大于8 m時，巷道煤柱幫垂直應(yīng)力峰值隨煤柱寬度的增大無顯著變化。

（3）現(xiàn)場實測結(jié)果表明：留8 m寬的護(hù)巷窄煤柱對334軌道順槽進(jìn)行沿空掘巷時，巷道表面變形量處于工程允許范圍內(nèi)，能夠滿足334綜采工作面安全生產(chǎn)要求。