沿空掘巷煤柱的合理留设宽度

白渌斐

(潞安环能股份公司常村煤矿，山西 长治 046200)

随着煤炭资源的不断减少，对其回收率要求也逐步提高。相邻工作面之间需要一定的护巷煤柱，对上覆岩层进行支承以及隔绝有害气体和矿井水等物质。煤柱宽度和稳定性是保证正常生产和巷道有效支护的重要因素。通常大多数矿井考虑煤柱的位置都会放在采空区侧向支承应力曲线的原岩应力区，但煤层厚度增加，使其相应的原岩应力区域也向煤体深部移动。其中厚煤层工作面的极限平衡区峰值10～15m，特厚煤层极限平衡区峰值达到45～60m。综上所述，护巷煤柱的宽度增大，不利于煤炭回收率的提高。本文基于沿空掘巷技术[1-2]施工、缩短煤柱宽度为依据进行下一步研究。

1 工程背景

22采区位于常村煤矿井田东南部，2103为首采面（已回采结束），东邻2103工作面，西邻22采区胶带巷，南侧为2205工作面。2205工作面设计走向长约1430m，工作面面长220m，煤层埋深240～250m，该矿主要开采的是12#煤层，平均厚度为6m，煤层倾角4°～6°，近似水平。采用的“一进两回”的通风方式，布置一条运输平巷、一条回风平巷和一条瓦斯抽采巷道（见图1），回风平巷和抽采瓦斯巷相邻。2203工作面采空区和2205工作面留设煤柱为38m，2205回风平巷掘进时，巷道采空区侧煤帮巷道已有支护后，巷帮有向巷道内侧收敛趋势。在推进600m后，观测已掘进巷道的表面位移计，测出（100～500m）巷道有20mm到80mm不等的收敛量，顶板最大下沉量有100mm左右。2205工作面回采期间2205回风巷道变形量更大。2203工作面和2205工作面之间的煤柱变形量大，煤柱支承压力大，影响矿井正常生产，所以工作面间合理的煤柱留设，为下一区段巷道布置提供借鉴。

图1 矿井工作面布置图

2 煤柱合理宽度

2.1 关键块B的确定

随着设备性能的不断提升，长壁开采工作面的面长增加已成为趋势。柏建彪提出在侧向方向上基本顶初次来压时也会出现“O-X”破断，直接顶垮落，基本顶在直接顶垮落后，发生断裂、回转和下沉，形成砌体梁结构。弧形三角块（B）一端回转后在采空区触矸，另一端断裂后压在直接顶和煤柱之上，并与相邻块体相互咬合形成铰接结构，铰接结构受到相邻岩块的水平推力作用，相对比较稳定[3]（见图2）。

图2 沿空掘巷弧形三角块结构示意图

2.2 极限平衡区确定

巷道一侧实体煤区域存在破碎区、塑性区、弹性区及原岩应力区。煤柱的垂直应力σy的分布如图3。随着煤体的垂直应力远离煤柱边缘而增长，在煤柱一定宽度时，存在支承应力极限平衡状态[4]。

图3 采空区实体煤侧垂直应力分布

煤层埋深240～250m，2203工作面为回采面，2205工作面为接续面，煤层平均厚度6m，煤层倾角4°～6°。煤层之上依次是粉砂岩、浅灰色细砂岩，底板为粉砂岩、浅灰色细砂岩、灰色黏土岩。采用经典极限平衡区公式求解x0。

式中：

m-巷高，3m；

h-开采深度，240m；

K-最大应力集中系数，2.5；

γ-上覆岩层平均容重，25kN/m³；

C-内聚力，1MPa；

φ-内摩擦角，30°；

f-煤体和顶底板的摩擦因数，0.4；

Px-三角煤体对煤柱的支承应力，0.3MPa；

ξ-三轴应力系数。

求出x0=9.375m。考虑到巷道断面至少5m宽，故窄煤柱宽度为4.375m，最终取4m宽。巷道布置在极限平衡区以内的塑性区，有一定卸压作用，利于巷道维护，减小变形量。

3 巷道支护参数

结合矿井实际生产地质条件和巷道围岩变形破坏的具体情况，采用地质力学评估计算得出巷道合理的锚杆间、排距支护参数（图4）。巷道结合锚网+锚杆索+W钢带维护巷道围岩（图5）。

（1）顶板采用5根锚杆，规格为Ф22mm×2400mm，间排距为 800mm×900mm，预紧力50kN；采用锚索加强支护，规格为Φ20mm×8000mm，间排距为1200mm×1000mm。

（2）巷帮采用4根锚杆，规格为Ф22mm×2500mm，间排距为 800mm×900mm，预紧力50kN。

图4 巷道支护布置图

图5 顶板支护示意图

综上所述，在此支护形式下，巷道能满足通风、物料运输以及正常出煤的要求，较好地控制巷道围岩变形量。

4 结论

通过弹塑性变形状态下煤柱的极限平衡公式可得出，沿空掘巷煤柱的宽度为4m。矿井应用过程中，待上区段工作面稳定后才能掘巷，沿空巷道布置方式在提高回收率、减小巷道变形等方面有很大优势。