中厚煤层沿空掘巷煤柱合理宽度分析及支护技术研究

薛永军

（山西焦煤投资公司正利煤业，山西 吕梁 033500）

1 工程概况

山西焦煤集团有限责任公司正利煤业14-1105 工作面为4-1煤层首采区的最后一个工作面，工作面开采4-1煤层，煤层平均厚度3.2 m，属中厚煤层。煤层顶板岩层为砂质泥岩和粉砂岩，底板岩层为砂质泥岩和细砂岩。工作面面临着沿空掘巷的问题，回采巷道断面为矩形，巷道开挖断面宽度4.6 m，高度3.2 m，拟采用小煤柱进行护巷。为保障回采巷道围岩的稳定，需进行小煤柱合理宽度和围岩支护技术的研究。14-1105 孤岛工作面位置示意图如图1。

图1 14-1105 孤岛工作面位置示意图

2 煤柱合理宽度分析

2.1 煤柱宽度的确定方法

采空区侧向将分布应力降低区和应力增高区（即支承压力区），煤体边缘形成破碎区和塑性区，沿稳定的采空区边缘掘进巷道，虽然围岩处于应力降低区，但围岩比较破碎，对煤柱尺寸的选择提出较高要求。由于沿空掘巷时煤柱侧两侧均临空，故煤柱两侧均存在一定宽度的破碎区域，该区域的煤柱基本无承载能力。工作面进行回采作业时，采动影响下会在工作面前方形成超前支承压力，煤柱在超前支承压力作用下会进一步变形破坏，进而导致巷道顶板会再一次发生断裂，导致巷道围岩变形量进一步增大。

在进行沿空掘巷作业时，应尽可能地将巷道护巷煤柱布置在应力降低区内，以有利于沿空掘巷的维护。在窄煤柱留设沿空掘巷时，侧向支承压力因掘巷的扰动而重新分布，此时的巷道不仅在掘进期间发生较大的变形，而且由于之前的大变形在掘后稳定时期内也很难控制巷道的变形。沿空掘巷留设的煤柱因其宽度较窄，极不稳定，从而易产生裂隙甚至破碎[1-4]。目前沿空掘巷窄煤柱宽度的定义范围为：护巷煤柱宽度为3～7 m。

现分别通过应力降低区宽度、应力强度双因素、宽高比优化和有效锚固体宽度四个方面进行合理煤柱宽度的分析，具体分析过程及结果如下：

（1）应力降低区宽度。采空区侧向煤体由浅至深分别出现破裂区、塑性区、弹性区和原岩应力区，其中塑性区宽度是确定煤柱宽度的重要参考指标[5-6]。根据极限平衡理论，通过力学分析能够得出采空区侧向煤体的塑性区宽度x0的表达式为：

式中：m为煤层开采厚度，取3.2 m；φ0为煤体内摩擦角，取30°；H为巷道埋深，515 m；A为侧压系数，1.5；γ为岩层重力密度，0.027 MN/m3；C为煤层界面黏聚力，取0.5 MPa；K为应力集中系数，取2.0；P为上区段平巷副帮支护强度，取0.07 MPa（锚杆支护，回采时锚杆不回撤）。

将以上数据代入式（1）中计算得x0=14.33 m，考虑沿空掘巷宽度为4.6 m，考虑到巷道沿空掘巷期间存在超挖现象，同时为保障沿空掘巷围岩处于卸压区内，取1.1 倍的系数，合理的煤柱宽度不应大于14.33-4.6×1.1=9.27 m。

（2）巷道围岩“应力-强度”双因素协同。在进行巷道围岩控制时，围岩控制的核心是保障围岩自身强度、围岩应力及支护强度三者之间能够协调，充分发挥围岩自身的承载能力，通过支护手段降低巷道围岩的应力集中现象，通过支护结构将浅部围岩与深部围岩有效连接成一个整体，采空区侧向煤体存在应力降低区，这是沿空掘巷得以实施的基础环境。但是与之相对应的，应力降低区内煤体次生裂隙发育，强度损伤严重。而随着深部煤体应力增高，其次生裂隙密度逐渐降低，强度损伤程度缓解[7]。不可追求过度低值应力，否则难以保证巷道围岩变形可控。

如图2 所示，煤柱宽度选择在阴影部分，既使巷道位于低值应力区，又保留了相对低损伤煤体护帮成巷。根据前述计算，煤柱尺寸应控制在4～7.5 m 之间。

图2 采空区侧向煤体应力与裂隙度关系示意图

（3）宽高比优化。根据已有工程案例，煤柱的宽高比大于0.8 时有助于承压期间姿态稳定。由此确定煤柱宽度应大于2.6 m。

（4）有效锚固体宽度。小煤柱两侧边缘易松散破碎，需双向对锚后对其形成三向约束维持承载性能。煤柱尺寸应以能实现双向对锚为基准。巷道煤帮采用Φ20 mm×2200 mm 螺纹钢锚杆支护，工作面回采结束后煤帮不可退锚[8]。105 孤岛面沿空掘巷一侧应采取规格不低于Φ22 mm×2800 mm 螺纹钢锚杆支护，加大承载圈厚度，在煤柱中部形成承载核区（图3）。据此，小煤柱宽度应设置为5～6 m。

图3 煤柱双向对锚示意图

2.2 煤柱宽度确定

综合上述四种煤柱宽度分析方法的结果，可绘制出煤柱合理宽度的选择图，如图4。由各项确定方法的交集得到最佳煤柱宽度为5～6 m，结合工作面的地质条件，最终确定护巷煤柱的宽度为6 m。

图4 小煤柱宽度的选择范围示意图

3 围岩控制技术

3.1 支护方案

根据14-1105 工作面的地质条件，结合合理煤柱宽度的分析结果，确定回采巷道采用锚网索支护方案，顶板岩层划分为浅部基础层、中部承载层和深部强化层三个方面进行支护。具体支护方案如下：

（1）顶板支护

① 螺纹钢锚杆：采用Φ22 mm×2600 mm 左旋螺纹钢锚杆，间排距为800 mm×800 mm，预紧力矩300 N·m。该部分支护结构主要进行浅部基础层的控制。

② 柔性锚杆：每隔两排螺纹钢锚杆布置3 根Φ21.8 mm×4300 mm 柔性锚杆形成中部承载层；间排距为1600 mm×1600 mm，预紧力200 kN。该部分支护结构主要进行中部承载层的控制。

③ 锚索：每两排柔性锚杆中间“五花眼”位置布置规格为Φ21.8 mm×6300 mm 锚索，间排距为1600 mm×1600 mm，预紧力250 kN。该部分支护结构主要进行深部承载层的控制，实现浅部和中部围岩与深部围岩的有效连接。

④ 网片：顶板钢筋网规格为Φ6.5 mm×4600 mm×900 mm。

（2）煤帮支护

① 螺纹钢锚杆（配M3 钢带、M3 托盘）：帮部每排布置4 根Φ22 mm×2600 mm 左旋螺纹钢锚杆，间距不一，排距800 mm，上部3 根锚杆配M3托盘压M3 钢带支护，底部1 根为单体支护，锚杆预紧力矩300 N·m。

② 柔性锚杆（小煤柱侧）：小煤柱一侧帮部每隔两排锚杆补充2 根Φ21.8 mm×4300 mm 柔性锚杆，间排距为1650 mm×1600 mm，锚杆预紧力200 kN。

③ 网片：帮部纵向铺设1 片金属菱形网，其规格为3200 mm×900 mm。帮网上部与顶网搭接不小于200 mm，锚杆必须打到压茬处，搭接部位每隔200 mm 三花迈步绑扎，用14#铁丝双股扭结，不少于三扣。

具体14-1105工作面回采巷道的支护布置如图5。

3.2 效果分析

14-1105 工作面回采巷道沿空掘巷期间，在滞后掘进头15 m 的位置处设置围岩变形观测站，每间隔2～3 d进行一次围岩变形量的观测，持续观测30 d，根据观测结果绘制出围岩变形量曲线如图6。

图6 回采巷道围岩变形曲线图

分析图6 可知，巷道围岩的变形主要集中在掘出后的0～10 d 内，巷道掘出10 d 后，围岩变形速率大幅下降，巷道掘出15 d 后，围岩变形量基本不再变化。最终巷道顶底板及两帮移近量最大值分别为95 mm 和159 mm，围岩变形量小，满足回采巷道使用要求。

4 结论

根据14-1105 工作面回采巷道的地质条件，综合采用应力降低区宽度、应力强度双因素、宽高比优化和有效锚固体宽度四种方法，确定煤柱宽度为6 m，设计巷道顶板划分为浅部基础层、中部承载层和深部强化层三个方面进行支护，煤柱帮采用螺纹钢锚杆+柔性锚杆进行支护。根据巷道掘进期间的围岩变形量分析可知，巷道在6 m 煤柱宽度和现有支护方案下，围岩变形量小，满足回采巷道使用要求。