厚煤层沿空巷道合理煤柱宽度留设及围岩控制研究

陈晋超

（西山煤电马兰矿，山西 古交 030200）

1 工程概况

西山煤电马兰矿18506工作面位于-910m水平南五采区，主采8#煤层，煤层厚度3.80～4.80m，均厚4.43m，煤层平均倾角4°，含有2层夹矸。煤层直接顶为L1泥灰岩，均厚2.32m；基本顶为粉砂岩，均厚2.33m；直接底为粉砂质泥岩，均厚0.97m；基本底为粉砂岩，均厚3.60m。18506工作面采用一次采全高开采，设计采高3.8m，全部垮落法管理顶板。18506工作面辅运巷西北侧为18504采空区。

2 沿空巷道合理煤柱宽度的确定

为探求18506工作面辅运巷与18504工作面采空区之间的合理煤柱宽度，通过综合运用载荷估算法、塑性区理论计算法及数值模拟法对煤柱的合理宽度进行具体分析，以此寻求合理的煤柱留设宽度。

2.1 载荷估算法

该方法认为区段煤柱所承受的载荷主要来自煤柱上方岩层重量和采空区侧沿倾向的上覆岩层的重量两个方面[1-2]，其表达式如下：

式中：

D-区段煤柱一侧或两侧采空区的宽度，m；

B-区段煤柱的宽度，m；

γ-煤柱上覆岩层的密度，kg/m3；

φ-煤柱上覆岩层自然状态下的垮落角度，°。

在保证煤柱上方所受的应力小于等于煤柱所能承受的极限强度时，能够得出煤柱临界宽度B的表达式为：

式中：

Rc-煤的单轴抗压强度，取为7.26MPa；

h-煤柱的高度，取为3.0m；

R-煤柱的极限强度，MPa。

根据18506工作面的地质资料，取D=2258.3m，H=400m，φ=45 °，γ=25kN/m3，Rc=7.26MPa，将上述数据带入式（2）能够得出煤柱宽度为B=14m，取为15m。

2.2 塑性区理论计算法

由于18506工作面与18504工作面之间煤柱宽度的留设需考虑相邻回采巷道开挖及一侧采空区回采的影响，故运用塑性区理论计算法分析煤柱的合理宽度较为合理，该法煤柱宽度B的计算表达式为[3-4]：

式中x0、x1的表达式如下：

式中：

B-区段煤柱宽度，m；

x1-回采巷道开挖后煤柱内部塑性区分布，m；

x0-采空区侧煤柱内得塑性区宽度，m；

M2-采煤高度，m；

C-煤体内部黏聚力，MPa；

2M2-区段煤柱的弹性核区宽度，m；

φ-煤体内部内摩擦角，°；

f0-煤层与岩层间的摩擦因数；

α与k-Mises准则中的相关系数；

ξ-三轴应力系数。

根据8#煤层的地质资料，取M2=3m，φ=27 °，ξ=（1+sinφ）/（1-sinφ）=2.64，f0=0.5，K=2.8，C=0.45MPa，γ=25kN/m3，H=400m，据此能够算出x0=4.0m，x1=10m。再将上述带入式（3）能够计算得出煤柱宽度B=20m。

2.3 数值模拟分析法

根据18506工作面的地质条件及岩层赋存条件，通过FLAC3D数值模拟软件建立18506工作面与18504工作面间区段煤柱的数值模型，通过数值模拟分别对煤柱宽度为10m、15m、19m及23m时煤柱内部塑性区的分布特征进行具体分析，具体18504工作面回采后煤柱塑性区分布如图1所示。

图1 4种煤柱宽度时塑性区的分布

通过分析图1可知，当煤柱宽度为10m时，18504工作面回采后，煤柱内部塑性区域已经完全贯通，顶板岩层塑性区域范围扩延程度明显，底板塑性区也逐渐出现扩延；当煤柱宽度为15m时，此时煤柱内部的塑性区域的分布也已经全部贯通，但相对10m煤柱时，塑性区域的扩展范围相对减小，此时18506工作面辅运巷由于变形量过大已经无法正常使用；当煤柱宽度为19m时，煤柱内屈服区域大幅降低，煤柱下方底板基本无塑性区发育，18506辅运巷周围塑性区范围较小，能够保证巷道的稳定；当煤柱宽度为23m时煤柱内塑性区域的范围进一步缩小，煤柱底板同样无塑性区发育。综合上述分析，同时基于确保区段煤柱稳定及经济的角度考虑，煤柱的合理宽度留设范围为19～23m。

综合上述分析，并结合18506工作面的具体地质情况，最终确定合理的煤柱留设宽度为19m。

3 沿空巷道围岩控制技术

3.1 支护参数

为保证留设19m煤柱下，18506工作面辅运巷在18504工作面回采完毕后，18506工作面进行回采工作时巷道的稳定性，在对巷道围岩的力学特征及岩层的赋存状况进行分析后，提出具体的支护方案。

18506工作面辅运巷断面为矩形，高为2900mm，宽为5000mm，巷道采用锚网索支护。顶板锚杆采用左旋螺纹钢高强锚杆，尺寸参数为 Φ20×2500mm，间排距为900×900mm；顶板锚索采用Φ21.6×10200mm的钢绞线，间排距为1800×2700mm；两帮锚杆采用左旋螺纹钢锚杆，尺寸参数为Φ18×2000mm，间排距为800×800mm。具体巷道支护参数如图2所示。

图2 18506工作面辅运巷支护断面图

3.2 应用效果分析

为验证巷道支护参数及煤柱留设宽度的合理性，在18506工作面回采期间，分别在距离工作面110m和240m的位置布置矿压监测站，对巷道的支护受力情况及巷道的表面位移情况进行监测分析。

（1）巷道支护受力特征分析

根据矿压观测结果所得数据，绘制出顶板及煤柱帮锚杆（索）受力状态—时间曲线图，顶板及护巷煤柱帮的锚杆（索）受力曲线图如图3所示。

图3 18506辅助巷锚杆（索）受力状态

根据锚杆的受力特征得知，在工作面推进11d，顶板锚杆的受力状态略有增幅，锚索的受力状态呈现水平状态；在16～23d期间，锚杆（索）的受力状态均以较平缓的趋势上升；在工作面推进36～47d时，距工作面110m的测点锚索受力呈现缓慢增长趋势，锚杆受力出现小范围波动，距工作面150m锚索呈现近似水平的趋势，锚索受力呈现缓慢增长，顶板锚杆的最大受力为30kN，锚索的最大受力为40kN。综合上述分析可知，18506工作面辅运巷顶板围岩受到本工作面回采影响较小，顶板围岩稳定。

在工作面推进11d时，护巷煤柱帮锚杆的轴向力也在相应的缓慢增长；在工作面推进约15d时，锚杆两测点的轴力上升到35kN、14kN；当工作面推进约44d时，巷道锚杆受力特征呈现逐渐增大的趋势，但从总体看帮部锚杆的受力状态较为平缓，煤柱帮锚杆的最大轴向力为50kN，这便表明18506工作面辅运巷在19m护巷煤柱宽度与现有支护下受本工作面采动影响程度低，巷道围岩处于稳定状态。

（2）巷道表面位移

在距工作面150m的位置处布置测站监测巷道表面位移，根据监测数据能够得出巷道表面位移量—距工作面距离曲线图，曲线图如图4所示。

图4 18506工作面回采期间测点巷道围岩变形量

随着18506工作面的推进，测点围岩的变形量均在采动影响下逐渐增大。将巷道顶底板及两帮移近量近似划分为三个阶段，即测站距工作面70m以上围岩变形量处于稳定阶段，当距工作面40～70m时，巷道围岩变形量开始缓慢增长，当距工作面0～40m时巷道围岩变形量快速增长。在18506工作面回采期间，辅运巷最大顶底板移近量为175mm，最大两帮移近量为245mm。据此能够得知18506工作面辅运巷在19m护巷煤柱和现有支护方式下巷道围岩变形量不大，变形量能够满足回采巷道的使用要求。

4 结论

（1）通过综合运用载荷分析法、塑性区理论计算法及数值模拟分析法对18504工作面与18506工作面之间区段护巷煤柱的合理宽度进行分析，最终确定合理的煤柱留设宽度为19m。

（2）根据矿压监测数据得知，在18506工作面回采期间，辅运巷锚杆（索）的受力在合理范围内，巷道顶底板相对移近量最大为175mm，两帮最大移近量为245mm，据此可知18506工作面辅运巷在19m护巷煤柱和现有支护方式下巷道围岩变形量合理，满足回采巷道的使用要求。