麦捷煤业瓦排巷煤柱合理留设及支护技术应用研究

李肖潞

（山西寿阳潞阳麦捷煤业有限公司，山西晋中，045400）

1 工程概况

山西省晋中市寿阳县解愁乡荣家沟村麦捷煤业现开采的15#煤层厚度为3.5 m～7.7 m，平均为5.56 m，煤层倾角为13°，f=2.3，煤层结构简单，局部含有不连续薄层炭质泥岩夹矸，层理节理发育。2018年矿井的相对瓦斯涌出量为12.12 m3/t，绝对瓦斯涌出量为51.69 m3/min，为高瓦斯矿井。第三采区的150311放顶煤首采工作面沿煤层走向布置,厚度为2.7 m～9.75 m，平均煤厚5.5 m，工作面平均埋深为650 m。工作面长度165 m，推进长度650 m，共布置皮带顺槽、轨道顺槽和瓦斯尾巷三条顺槽，皮带顺槽和轨道顺槽沿15#煤层底板布置，瓦斯尾巷沿15#煤层顶板布置，瓦排巷与轨道顺槽净煤柱25 m。

150311瓦排巷（尾巷）属150311综放工作面与150312综放工作面回采时分别使用的瓦排巷道，使回采工作面形成U+L型通风，有效解决回采工作面上隅角瓦斯积聚问题。为了提高采区回采率，本文对瓦排巷与两个工作面之间煤柱的优化宽度进行了优化。

图1 巷道布置详图

2 合理煤柱宽度分析研究

为了更加直观的了解瓦排巷与运输顺槽煤柱内塑性区的分布情况，确定合理的煤柱宽度，利用FLAC3D软件进行数值模拟[1～2]，以150311工作面为研究对象，该矿相邻采区类似工作面瓦排巷与运输顺槽之间煤柱的宽度为25 m，运输顺槽断面尺寸为宽×高=5.4 m×4.1 m，瓦排巷断面尺寸宽×高=4.8 m×3.9 m，回采工作面长度为165 m，沿倾斜方向推进长度为650 m，建立模型的尺寸为：长×宽×高=650 m×200 m×125 m，具体的数值模型如图2所示。

图2 数值模拟计算模型

150311工作面平均埋深为650 m，上覆岩层平均容重为2.5×10 kN/m3，垂直方向上施加的均布载荷P=（埋深-顶板厚度）×容重=13.75 MPa。模拟方案为：在150311工作面运输顺槽和瓦排巷煤柱宽度不同的条件下进行150311综放工作面的回采，在工作面回采完毕后观察煤柱内塑性区的发育情况，根据工作面的具体条件，分别模拟煤柱宽度为13 m、15 m、17 m、19 m、21 m、23 m。在工作面开采完毕后，在工作面中部设置测点，煤柱塑性区观测结果如图3所示。

图3 不同宽度区段煤柱内部塑性区分布变化图

由图3可知，150311工作面回采导致煤柱两侧煤岩体遭到破坏，煤柱内应力集中导致产生一定范围的塑性破坏区。当煤柱宽度为13 m时，煤柱接近底板的区域产生贯通整个煤柱的塑性破坏，此时煤柱基本上失去了对于上部岩层的支承能力，并且存在运输顺槽和瓦排巷空气连通的危险；煤柱宽度为15 m～23 m时，煤柱内存在一定宽度的弹性区域，在两侧也存在一定的塑性区域，此时煤柱虽然遭到了一定程度的破坏，仍然具有较好的支承能力，能够对巷道起到较好的保护作用，确保巷道围岩的稳定。煤柱宽度为15 m～17 m时，煤柱内部弹性核区的宽度为7.5 m～9.0 m，即有足够的支承能力，又能减少资源的浪费，提高采出率；煤柱宽度大于17m时，弹性核区宽度过大，不符合绿色高效开采的目的；当煤柱宽度小于15 m时，煤柱靠近底板的区域塑性破坏贯通，煤柱丧失了支承能力，无法保证巷道的稳定性。结合现场实测结果、理论分析和数值模拟分析后，综合考虑安全、经济多方面因素后确定合理的煤柱宽度为15 m～17 m。

在不同煤柱宽度条件下进行150311工作面回采，瓦排巷围岩位移模拟结果整理后得到如图4所示的结果，由图可知随着煤柱宽度的增大，瓦排巷在150311工作面回采影响下围岩的变形量呈现逐渐减小的趋势，煤柱宽度由11m增加到15 m时，巷道围岩的变形量减小最为明显；煤柱宽度由15 m继续增大时，瓦排巷围岩位移量基本不变化，这进一步说明合理的煤柱宽度应为15 m～17 m。

图4 不同宽度煤柱条件下瓦排巷围岩变形曲线图

3 150311工作面瓦排巷支护设计

本着支护强度既要保证150311综放工作面动压影响，保证在150311综放工作面回采完毕后，该巷道又要服务于150312综放工作面回采的要求，采用动态信息支护设计法进行锚杆支护设计[3～4]。150311瓦斯巷采用树脂加长锚固强力锚杆锚索组合支护系统。具体支护形式和参数为：

(1)顶板支护

顶板支护采用锚杆锚索+钢筋梯梁组合支护形式，其中：锚杆一排6根锚杆，间距和排距均为800 mm，锚索在巷道顶板中间对称布置两根，间排距为1 600 mm×800 mm。锚杆采用φ22×2 200 mm左旋无纵筋螺纹钢锚杆，锚固方式为树脂加长锚固，锚固力不低于230 kN。锚索选用φ21.6×7 200 mm-1×7股高强度低松弛预应力钢绞线。钢筋梯梁采用φ16 mm的钢筋焊接而成，长度2 900 mm，宽度220 mm。

(2)巷帮支护

巷帮支护采用锚杆锚索+钢筋梯梁组合支护形式，帮部锚杆采用φ20×2 200 mm的螺纹钢，锚杆锚固方式同顶板。锚杆每排为5根，间排距为800 mm×800 mm。锚索布置：每帮每两排锚杆打设两根锚索，排距800 mm，帮锚索距顶板底板均为750 mm，锚索间距为1 600 mm，煤柱侧采用φ17.8×4 200 mm的矿用锚索，实体煤侧采用φ17.8×7 200 mm长锚索，全部垂直巷帮打设。钢筋梯梁规格：采用φ16 mm的钢筋焊接而成，长度3 900 mm，宽度220 mm，巷道支护布置如图5。

图5 瓦排巷支护参数示意图

4 现场应用效果分析

考虑到15#煤层埋深和煤厚较大，综放开采对于巷道围岩稳定性影响较大，根据数值模拟结果并综合考虑施工、安全、经济等多方面的因素，最终留设煤柱宽度为17 m，150311瓦排巷采用第三节所述的支护形式，为考察支护的效果及煤柱宽度的合理性，在瓦排巷掘进及150311工作面回采期间对其围岩位移情况进行观测，整理后得到如图6所示结果。150311工作面与150312工作面共用瓦排巷掘进过程中围岩的变形情况如图6中的（a）所示，围岩的位移主要集中在成巷初期，围岩变形主要表现为底鼓，最大底鼓量为250 mm，顶板及两帮变形量均较小，最大形变量小于150 mm，即取得了良好的支护效果。150311综放工作面回采期间瓦排巷矿压观测结果如图6中（b）所示，在工作面开采至观测点之前，瓦排巷围岩稳定性良好，当工作回采至测点位置时，围岩变形速度达到最大，回采后瓦排巷底板底鼓量稳定在500 mm以下，顶板下沉量稳定在300 mm左右，两帮变形量均小于200 mm，围岩变形量整体上较小，能够满足150312工作面通风的要求。

图6 工作面回采期间瓦排巷围岩位移观测结果

5 结论和建议

根据麦捷煤业150311综放工作面具体的地质条件，通过数值模拟及理论分析得知，其运输顺槽与瓦排巷之间煤柱的合理宽度应为15 m～17 m，考虑到15#煤层埋深和煤厚较大，综放开采对于巷道围岩稳定性影响较大，最终留设煤柱宽度为17 m，根据生产经验进行支护的参数设计，现场应用后证明取得了很好的支护效果，并且将煤柱宽度由25 m减小为17 m，提高了煤炭资源回收率，经济效益显著。