三软煤层沿空掘巷支护的设计

宋李辉

（山西离柳焦煤集团有限公司兑镇煤矿， 山西 吕梁 032300）

引言

随着开采年限的延长和开采强度的加大，许多矿区赋存条件好、煤质优良的煤炭资源日益减少，实现优质煤炭资源的精细化开采已经成为许多矿井面临的共同技术难题。留设小煤柱沿空掘巷作为当前我国无煤柱护巷的主要形式，是提高资源回收率和经济效益的有效措施，该技术的关键在于护巷煤柱合理宽度的确定和巷内支护设计。本文基于凤凰台煤业公司2303工作面三软煤层开采的现场生产条件，采用理论计算、数值模拟和力学分析等方法，成功实现了沿空掘巷，达到了安全高效开采的目的[1]。

1 试验区情况

凤凰台煤业公司主采煤层为三层，其中2号煤发热量最高，煤质最好。2号煤仅部分采区可采，资源储量较少。回采过程中，2号煤工作面的区段煤柱尺寸为10 m，为提高2号煤的采出率，拟在2303工作面进行沿空掘巷试验。该工作面位于九采区南部，埋深为400～500 m，设计走向长度935 m，倾斜长度145 m。工作面运输巷及运料巷均为梯形，巷道规格为4.2 m×2.6 m（宽×高），断面面积为10.92 m2。

根据2303工作面顶底板岩性所知，2号煤的普氏系数为0.15，属于极软煤层，且顶板炭质泥岩，抗压强度为18.3 MPa，底板的抗压强度为3.7 MPa，为典型的“三软”煤层。

2 护巷煤柱宽度的确定

根据窄煤柱设计原则，采用极限平衡理论和弹塑性理论计算合理的最小护巷煤柱宽度为4.72～5.34 m。根据理论计算的结果，初步将护巷煤柱的宽度定为5 m，以5 m为中心，以0.5 m为梯度，采用FLAC3D对3～8 m护巷煤柱下巷道围岩的垂直应力、水平应力和位移分布状况进行模拟分析。煤柱宽度不同时，巷道开挖引起的围岩变形规律如图1所示。

图1 不同煤柱宽度时的围岩变形量

从图1数据可知，该沿空掘巷围岩变形量随着煤柱宽度的增加呈现先减小后增大的趋势。当煤柱宽度5 m时，两帮移近量为359 mm，顶底板移近量为492 mm，围岩变形量最小。不同煤柱宽度时的应力分布也呈现类似的规律，煤柱宽度为5 m时巷道围岩垂直应力、水平应力分布均相对较优。综合以上理论计算和数值模拟研究结果，确定2303运料巷护巷窄煤柱的合理宽度为5 m[2-3]。

3 护巷煤柱稳定性的分析

沿空掘进的巷道与上工作面采空区距离较近，采空区侧向顶板的断裂旋转下沉是造成护巷煤柱失稳的主要因素。载荷通过巷道围岩传递，最终由顶板、两帮和支护体共同承担，形成“顶板-两帮-支护体”联合承载结构，如下页图2所示。该联合承载结构的跨度为巷道的宽度L，厚度为巷道表面的非均匀压缩带和压缩带之和b。

联合承载结构能有效组织巷道围岩塑性区的宽度，减小巷道围岩的变形，对巷道稳定性具有重要作用。联合承载结构的强度主要与围岩的性质（内聚力和内摩擦角）、巷道的规格（巷道的宽度）及锚杆的性质（强度、直径等）有关。

1）该结构的强度与巷道围岩的内聚力和内摩擦角成线性正比例关系，内聚力和内摩擦角的增大可提高该结构的稳定性。

2）该结构的稳定性与巷道的宽度成反比例关系，巷道宽度越小越有利于其稳定。

3）结构的强度与锚杆的屈服强度成线性正比例关系，因此在巷道支护设计时应优先选取高强或超高强度螺纹钢杆体[4]。

4）结构的强度与锚杆直径的平方成次正比例关系，随着锚杆直径的增大，该结构强度增强，巷道稳定性增高。

图2 矩形巷道联合承载结构示意图

4 支护参数的设计及现场应用

4.1 支护参数

在数值模拟的基础上，结合理论计算及实际的生产条件，确定2303运料巷沿空掘巷的支护方案如图3所示。

图3 2303运料巷支护方案（单位：mm）

为了提高联合承载结构的强度，保证巷道的稳定，巷道顶板和两帮均采用Φ22 mm×2 400 mm左旋螺纹钢强力锚杆配卷S2360与一卷Z2360树脂药卷全长锚固，顶锚杆间排距为750 mm×700 mm，帮锚杆间排距为700 mm×700 mm。其他组合构件为120 mm×120 mm×12 mm（长×宽×厚）的蝶形托盘、Φ16 mm钢筋梯子梁及14号铁丝编织而成的2.5 m×1.0 m（长×宽）的菱形金属网。

巷道顶板打双排迈步锚索，锚索规格为Φ15.24mm×9 000 mm钢绞线配三卷Z2360树脂药卷锚固，其他构件为120 mm×150 mm×16 mm（长×宽×厚）的钢板托盘、14号槽钢及钢筋梯子梁以及14号铁丝编织而成的4.5 m×1.0 m（长×宽）的菱形金属网，锚索间排距1.4 m×2.5 m在断层等地质条件异常地段或煤层变薄带，必须对巷道进行加强支护，加强支护的方式视巷道情况采用以下一种或几种方式：增加锚杆的布置密度；补设金属支架加强（组合）支护；注浆加固围岩[5]。

4.2 矿压观测

为了验证窄煤柱护巷试验的结果，巷道掘进过程中2303运料巷共设置了五个测站，每个测站布设两个巷道表面位移观测面，一个深基点位移计观测面。通过位于巷道中部的三号测站的矿压观测数据可知，巷道的掘进影响期为9 d。在此期间，巷道急剧变形，两帮及顶底变形量分别为176 mm、146 mm；巷道变形速率表现出先增大后减小的趋势，两帮变形速率在第2天达到最大值30 mm/d，顶底变形速率在掘进后的第3天达到最大值32 mm/d。然后巷道进入稳定阶段，两帮及顶底变形速率逐渐降至0。巷道开掘110 d内的两帮变形量为382 mm，顶底变形量为302 mm，顶板的总下沉量为78 mm。顶板深部0～6 m范围内，多点位移计各测点的绝对变形量均为78 mm，从而可知顶板6 m范围内各层岩体之间没出现离层，顶板属于整体下沉。

5 结论

1）通过理论计算和数值模拟分析确定2303工作面三软煤层护巷窄煤柱的合理宽度为5 m。

2）由“顶板—两帮—支护体”组成的联合承载结构决定着巷道的稳定，通过建立矩形巷道联合承载结构的力学模型，指出该结构的稳定性与围岩的性质、巷道的规格及锚杆的性质有关，结合数值模拟比较，确定了2303运料巷窄煤柱护巷的支护参数。

3）2303运料巷的矿压观测表明，5 m护巷煤柱下，基于联合承载结构设计的支护方案巷道变形量小，能够满足生产的需求，为三软煤层沿空掘巷设计提供了参考。