木瓜煤矿“三软”煤巷小煤柱沿空掘巷技术应用研究

张 磊

（霍州煤电集团吕梁山煤电有限公司木瓜煤矿，山西 方山 033100）

1 工程概况

吕梁山煤电有限公司木瓜煤矿目前主采的10#煤层为复杂结构煤层，倾角4°～8°，平均6°，煤层厚2.3～3.4m，平均厚2.95m，煤岩类型为半亮型焦煤。目前，10#煤层首采区的第二个工作面即将进入准备阶段。10-102工作面盖山厚度+227～+424m，地面标高+1225～ +1335m，工作面标高+927～ +988m。10-102工作面地面位于木瓜村西南方向黄土丘陵下方，上部地表以侵蚀性黄土梁峁为主；井下位于一采区准备巷道左翼，工作面北部与即将回采完毕的10-101工作面相邻，工作面以东为实体煤，以南为南区实体煤，紧邻一采区边界。10-102轨道顺槽紧邻10-101，沿10#煤层顶板掘进，其顶底板岩性特征如表1所示。为提高煤炭资源的采出率，10-102轨道顺槽设计采用留小煤柱沿空掘巷技术，但依据矿方提供的煤岩体物力力学实验室测定的10#煤坚固系数为0.6135，顶板抗压强度17.23MPa，底板抗压强度15.69MPa，10-102轨道顺槽属于典型的“三软”煤巷，巷道掘进过程中支护较困难。为确定留小煤柱沿空掘巷技术的可行性和合理的煤柱宽度，展开了相关的研究。

表1 10#煤顶底板岩性特征表

2 合理煤柱宽度的初步确定

查阅相关的研究成果获知，工作面回采巷道采用护巷小煤柱和锚网索联合支护时，煤柱宽度和巷道围岩变形量的关系为[1]：

其中：

u-巷道围岩位移收敛量，mm；

B0-煤柱宽度最小值，m；

u0-单一巷道掘进时围岩变形量，mm；

k1、λ-待定系数，单位：1；

x-护巷煤柱宽度，m；

K-煤柱稳定性系数，一般为0.2～0.33。

由此可知，小煤柱护巷条件下，巷道围岩的收敛量和煤柱宽度间的关系较复杂，并不是简单的线性关系。巷道变形量在不同的围岩性质条件下差异也非常大，根据康红普教授等相关人员的研究成果，沿空掘巷的顶底板移近率和煤柱宽度的关系如图1所示。对于软岩和中硬岩条件下，煤柱宽度在20m范围内时，沿空巷道围岩的变形量变化明显。10-102轨道顺槽属于典型的“三软”煤巷，围岩位移量对煤柱宽度的变化更为敏感。当煤柱宽度为10m左右，巷道顶底板移近量达到最大，之后煤柱宽度增大，顶底板移近率不断减小，通常情况下，当护巷煤柱宽度小于10m条件下，称为小煤柱沿空掘巷。依据现有的研究成果，工作面回采巷道采用护巷小煤柱和锚网索联合支护时，合理煤柱宽度的确定主要依据以下原则[2]：煤柱和巷道应力水平较低的原则；锚杆能够有效地锚固围岩的原则；满足隔离临近采空区的原则；尽可能提高工作面采出率的原则。综合以上分析及原则，初步确定10-102轨道顺槽沿空掘巷煤柱宽度为3～8m。

图1 巷道顶底移近量与护巷煤柱宽度间的关系

3 “三软”煤巷沿空掘巷合理煤柱宽度数值模拟

3.1 10-102轨道顺槽支护方案

10-102轨道顺槽为矩形断面，巷道掘进净宽为5600mm，高度为3400mm，采用锚网索联合支护。锚杆采用Φ20×2000mm螺纹钢锚杆，每排顶底和两帮共14根，间排距为1000×900mm，锚杆间通过H型钢带横向连接，每根锚杆采用MSZ2335和MSCK2360树脂锚固剂各一卷，预紧力为40kN 。顶板锚索采用Φ17.8×6200mm预应力钢绞线，每排2根，采用“二0二”布置，间排距为2000×1800mm。巷道围岩采用双层网护表，内外层分别为钢筋网和塑料网，网片间搭接距离为100mm。10-102轨道顺槽支护详情如图2所示。

图2 10-102轨道顺槽锚网索支护断面

3.2 合理煤柱宽度模拟分析

根据10-102轨道顺槽具体的采矿地质条件，为研究其采用小煤柱护巷的可行性及合理的煤柱宽度，利用FLAC3D数值模拟软件进行研究分析[3-4]。模型由左向右分别为10-101采空区、护巷煤柱、10-102轨道顺槽，模型尺寸（长宽高）为210×80×92m。模型上部边界施加5.5MPa的均布载荷，模型底部为固定边界，四周边界水平位移被约束，测压系数取0.8。模拟计算过程中煤岩体服从摩尔—库伦屈服准则。数值模型及边界条件如图3所示。

图3 数值模型示意图

为分析不同护巷煤柱宽度条件下，10-102轨道顺槽围岩的稳定性，数值模拟开挖步骤为：建立模型—初始地应力场平衡—10-101工作面回采—10-102轨道顺槽开挖和支护—10-102工作面回采。分别进行留设10-102轨道顺槽护巷煤柱宽度为3m、4m、5m、6m、7m、8m的数值模拟计算，比较10-102轨道顺槽掘进和10-102工作面回采期间其围岩的变形量。首先得到10-102轨道顺槽掘进期间其围岩位移量和煤柱宽度的关系如图4所示。

图4 掘巷期间不同煤柱宽度条件下围岩位移曲线

由图4所示结果可知，煤柱宽度由3m增大到8m，护巷煤柱侧的10-102轨道顺槽煤帮位移量由42mm增大至205m，顶板下沉量由370mm增大至447mm，10-102实体煤侧的煤帮变形量由187mm减小为162mm。由此可知，随着护巷煤柱宽度的增大，煤柱的承载能力提升，由于煤柱内的能量通常通过其变形释放，因此导致巷道煤柱侧和顶板的围岩量逐渐增大。当煤柱宽度在3～5m间变化时，顶板下沉量增大明显，煤柱宽度由5m增大至8m，顶板下沉量基本不变。由此可知，煤柱宽度达到5m后继续增大，其对于顶板的支撑能力基本不再变化，因此可初步设计护巷煤柱为5m。

图5 回采过程中不同宽度煤柱围岩位移曲线

10-102工作面回采期间，10-102轨道顺槽围岩位移量与煤柱宽度的关系如图5所示。煤柱宽度由3m增大至8m，煤柱帮位移量由46mm增大至307mm，顶板下沉量由652mm增大至928mm，实体煤帮的位移量在400～500mm间交替变化；当煤柱宽度为5m左右时，煤柱内应力水平较低，易于巷道的支护稳定，因此煤柱宽度为5.0m较合理。综上分析可知，10-102轨道顺槽采用小煤柱护巷技术可行，煤柱宽度为5m最为合理。

4 现场应用效果

为考察木瓜煤矿10-102轨道顺槽采用5m小煤柱护巷沿空掘巷技术的效果，掘巷期间布置围岩位移监测点，整理后得到如图6所示的结果。由图可知，对10-102轨道顺槽围岩位移监测的30d内，成巷后的前10d内围岩位移增大明显，之后围岩变形量基本稳定不变，最终顶底板移近量最大值约为87mm，两帮移近量最大值约为148mm，成巷10d后围岩位移速度为零。可知，10-102轨道顺槽采用5m小煤柱沿空掘巷具有良好的围岩控制效果。

图6 10-102轨道顺槽掘巷期间围岩位移规律

5 结论

10-102轨道顺槽“三软”煤巷初步确定护巷煤柱宽度为3～8m，采用FLAC3D进行数值模拟分析，确定煤柱宽度为5.0m。掘巷期间围岩位移监测结果表明，顶底板移近量最大值约为87mm，两帮移近量最大值约为148mm。10-102轨道顺槽位移量有效的控制在合理的范围内，取得良好的效果。