复杂应力环境下孤岛工作面窄煤柱掘巷支护技术研究

刘 剑，段 军

（内蒙古科技大学 矿业学院， 内蒙古 包头市 014010）

复杂应力环境下孤岛工作面窄煤柱掘巷支护技术研究

刘 剑，段 军

（内蒙古科技大学 矿业学院， 内蒙古 包头市 014010）

试验巷道为孤岛工作面沿空巷道，且处于下部煤层遗留煤柱应力集中影响区等复杂的围岩应力环境中。通过数值计算确定了遗留煤柱影响集中系数为1.3，应力影响角为63°，影响范围为遗留煤柱前后50m范围内。依此提出了集中应力影响区巷道加强支护方案。巷道矿压观测表明，巷道围岩变形得到了有效控制，在复杂的围岩应力环境下实现了一次成巷，满足了巷道使用要求。

孤岛工作面；应力集中区；沿空掘巷；支护方案

0 引 言

为了避免生产和接替工作面之间的干扰，采区内工作面之间有时被迫采用跳采接替方式，不可避免地在采区内形成上、下区段均为采空区的工作面。孤岛工作面回采巷道是沿空巷道的一种，其上、下顺槽均处于沿空状态，巷道压力显现明显，如支护方法不当，任何一条巷道的失稳破坏将直接影响工作面上、下出口的畅通和安全。当上部煤层煤质差、下部煤层煤质优良，从企业效益角度出发而采用上行开采，上部煤层孤岛工作面回采巷道将处于复杂的应力环境中。

皖北某矿454工作面为孤岛工作面，处于下部65采区回采完毕后形成的弯曲下沉带内，同时受到65采区遗留煤柱形成的应力集中的影响，巷道围岩应力环境复杂，锚梁网支护将显得异常困难。采用何种支护形式和支护参数是保证该工作面能否顺利投产的关键，也是过去普通锚梁网支护未曾遇到过的新问题，具有重要的理论意义和实践意义。

1 工程概况

454工作面由于接替等原因形成孤岛工作面。工作面采用倾斜长壁布置，平均倾角7°左右，工作面倾向长1540m，走向宽172m。工作面标高在－323.1～－144.5m。454工作面下部90m为65采区，65采区各工作面均采用走向长壁采煤法，且均于2009年回采完毕，此时454工作面整体处于65采区的弯曲下沉带内，而65采区部分块段留有煤柱，给454工作面回采巷道带来影响，巷道处于复杂的应力环境中，具体表现如下。

（1）孤岛工作面留窄煤柱掘巷。454工作面为孤岛工作面，其上、下顺槽均处于沿空状态，受上、下区段采空区侧向支承压力影响，巷道围岩矿压显现明显，如果两巷支护参数选择不合理，则会导致围岩变形剧烈、冲击矿压等危险事故的发生。

（2）弯曲下沉带内掘巷。454工作面整体处于65采区采后的弯曲下沉带内，工作面煤岩体整体下沉了0～2.2m，岩层沉降不均，发生离层、错动、断裂，巷道围岩完整性差。

（3）巷道部分区段位于遗留煤柱上方。如图1所示，6煤回采后，采空区内留有部分煤柱，煤柱不规则，风巷正下方留有60m煤柱（A区）、机巷正下方留有30m煤柱（B区）、在454工作面中部煤柱宽度为30m左右（C区）。受遗留煤柱影响，试验巷道在此区段内围岩压力显著升高，巷道支护困难。

图1 遗留煤柱平面分布

2 遗留煤柱应力集中影响程度数值计算

遗留的煤柱上方形成的应力集中区，势必会影响4煤层内巷道的掘进以及工作面的生产安全。为解决应力集中区的巷道支护技术问题，首先应掌握应力集中区的分布范围及影响区域，本文采用二维离散元软件UDEC3.1进行计算分析。

2.1 模型建立

采用矩形模型进行计算，整个模型宽460m，高250m。模型包括2个煤层，分别为6煤和4煤。遗留煤柱对4煤454回采巷道的影响范围为本次数值计算模拟对象。6煤内各个工作面沿煤层走向回采，煤层厚度2.5m，回采完成时间均大于24个月，上覆岩层跨落已基本稳定。4煤454工作面回采巷道沿倾向布置，巷道长度均为1500m。模型两侧限制水平方向移动，模型底边限制水平方向和垂直方向移动，模型上表面为应力边界，4煤埋深350m，不足部分采用应力补偿来模拟上覆岩体的自重边界。材料破坏遵循Mohr－Coulomb强度准则。

2.2 计算结果分析

垂直应力集中程度及其分布、不同宽度煤柱的下沉量见图2～图4及表1。

图2 不同层位垂直应力集中程度

图3 沿巷道纵向垂直应力分布

图4 不同宽度煤柱的下沉曲线

表1 4煤底板应力及位移计算结果统计

综合理论与数值计算结果，主要得出如下结论：

（1）6煤开采后454工作面整体下沉约2.3m左右，遗留煤柱正上方下沉量约1.1～1.6m；

（2）6煤开采后，遗留煤柱上方顶板应力影响角为63°左右，影响区为煤柱正上方两侧约50m范围内。风巷约160m范围，机巷约130m范围的应力较其他区段高；

（3）煤柱上方垂直应力分布集中系数随高度增大逐渐降低至原岩应力，A、B区遗留煤柱在4煤底板形成的应力集中系数为1.3左右。

3 遗留煤柱影响区巷道围岩控制技术

3.1 煤柱宽度的确定

沿空巷道煤柱宽度的确定应考虑以下几点：

（1）是否存在大结构失稳问题；

（2）煤柱是否具有可锚性；

（3）煤柱宽度应尽量小，提高煤炭资源回收率；

（4）是否避开应力升高区。

经综合分析，确定454工作面沿空掘巷留设的煤柱宽度为4m。

3.2 巷道支护方案

巷道采用锚梁网支护，掘进宽度3.8m，高度2.5m，断面9.5m2。

巷道顶板支护结构由两部分组成。第一部分由锚杆＋M5钢带＋10＃金属网组成。钢带沿巷道顶板横向布置，每根钢带上安装5根锚杆，实体煤帮顶锚杆与铅垂面成20°角度锚入，其它锚杆垂直顶板锚入。顶板锚杆统一采用Φ20mm×2400mm左旋螺纹钢等强锚杆。采用网孔不大于40mm的10＃铁丝编织的菱形金属网紧贴顶板铺设，并且用钢带压茬。第二部分由14＃普通热轧槽钢和锚索组成。槽钢梁沿巷道纵向且与钢带呈十字交叉布置2排，分别距巷道实体煤帮1300mm和2900mm。槽钢梁长度为2100mm，每根槽钢梁上安装2根锚索。锚索长度设计为7500m，直径为Φ17.8mm。实体煤帮锚索与铅垂面成20°锚入，沿空侧锚索垂直顶板布置，如图5所示。

图5 应力集中区沿空掘巷支护方案

3.3 巷道围岩控制效果

图6为受6煤遗留煤柱影响区的巷道围岩变形观测结果。由图可见：

图6 巷道围岩变形规律曲线

（1）巷道变形以两帮移近为主，两帮移近量370 mm左右，顶底板移近量150mm左右，满足了巷道使用要求，在复杂的围岩应力环境下实现了一次成巷；

（2）受上区段采动影响，煤柱已处于松散破碎状态，此时锚杆的锚固作用甚微，安装的锚杆只能保证煤柱的完整、不坍塌，煤柱的大变形很难得到有效控制，而实体煤侧煤体的完整性相对较好，其变形量小于煤柱帮。

4 结 论

（1）采用离散元软件分析计算了弯曲下沉带内454工作面煤岩层沉降规律以及6煤开采后遗留煤柱上覆岩体应力集中区内应力分布及影响范围，结果表明，6煤开采后454工作面整体下沉了约2.3m左右；遗留煤柱在4煤底板形成的应力集中系数为1.3左右，应力影响角为63°，影响区为煤柱正上方两侧约50m范围内，

（2）根据数值计算结果，提出了集中应力影响区的加强支护措施，巷道矿压观测结果表明巷道围岩变形得到了有效控制，满足了巷道使用要求，在复杂的围岩应力环境下实现了一次成巷。

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2011－12－26）

刘 剑（1982－），男，内蒙古鄂托克旗人，工程师，在读工程硕士，主要从事于煤矿矿井设计方面的研究，Email：slamdunk19＠163.com。