腾晖矿沿空掘巷技术支护应用

钱炳均

（霍州煤电集团河津腾晖煤业有限责任公司，山西 河津 043300）

窄煤柱护巷作为一种回采巷道布置方式，具有巷道维护简单、资源回收率高的优点，近年来得到了广泛的应用[1-2]。霍州煤电腾晖煤业主采煤层为2号煤，为优质的贫瘦煤；为了提高煤炭资源的回收率，决定降低区段护巷煤柱的尺寸，在腾晖矿2-105工作面进行沿空掘巷的试验。

1 试验工作面概况

拟进行窄煤柱护巷试验的2-105 工作面位于一采区，北部为已经回采的2-104 工作面，西部为矿井边界，东部为采区巷道。工作面埋藏深度353～485 m。2 号煤层赋存稳定，倾角平缓，平均厚度为5.2 m，局部厚度有变化，含0-2 层夹矸，夹矸厚度约0.1 m。工作面顶底板岩性见图1。

图1 2 号煤顶底板岩性

工作面采用走向长壁放顶煤开采，走向长度640 m，倾斜长度120 m，工作面布置见图2。工作面运输巷为矩形，断面为5.0 m×3.0 m（宽×高），沿煤层底板掘进，锚网支护，拟进行窄煤柱护巷的试验。

图2 试验巷道平面布置

2 护巷煤柱宽度的确定

2.1 理论分析

工作面开采和巷道开掘后，在煤壁产生塑性区，护巷煤柱的宽度应大于塑性区的距离并保证一定的富余系数，见图3[1-4]。

图3 最小护巷煤柱宽度计算

最小护巷煤柱宽度B 为：

式中：x1为2-104 工作面开采而产生的塑性区宽度，m；x2为2-105 运输巷掘进而产生的塑性区宽度，m；x3为增加的保护煤柱的宽度，m，一般取值为两个塑性区宽度之和的15%～35%。

x1、x2下式计算：

R1为塑性区半径，计算公式如下：

式中：m 为巷道高度，m；α 为煤层倾角，°；A 为侧压系数，A=μ/（1-μ），μ 为泊松比，取0.39；K 为应力集中系数；H 为埋深，m；φ0为煤体内摩擦角，°；C0为煤体粘结力，MPa；γ 为岩层容重，kN/m3；p0为支护阻力，MPa；R0为井巷等效半径，m。

根据以上条件，可以计算得到x1=2.36 m，x2=3.58 m，由此确定合理的护巷煤柱宽度为6.6～7.7 m。

2.2 数值模拟

根据理论计算的结果，采用FLAC3D对4～9 m不同区段保护煤柱下的巷道表面位移进行计算分析，计算结果见图4。

图4 不同煤柱宽度时围岩变形量

图4表明，随着护巷煤柱尺寸的增加，巷道变形先减小后增大，并且顶底板位移和两帮移近量的变化趋势基本相同。当煤柱宽度在7 m以下时，随着煤柱尺寸的增加，巷道表面位移逐渐减少，分析是由于此时巷道处于侧向支承应力的降低区内。而超过7 m后，煤柱尺寸的增加造成位移的增加，此时巷道所处的位置已经位于支承压力区内，受原岩应力的影响较大，因此巷道变形量变大。

综合以上理论计算和数值模拟研究结果，确定腾晖矿2-105 工作面护巷窄煤柱的合理宽度为7 m。

3 掘巷支护设计

3.1 无支护状态数值模拟

利用建立的FLAC3D模型，得到无支护状态的2-105 工作面顺槽的塑性区分布见图5。

图5 无支护状态下塑性区分布

由图可以看出：无支护状态下，工作面运输顺槽的两帮和顶板均有一定范围的塑性区发育，主要破坏形式为剪切和拉伸破坏，其中巷道两帮剪切破坏尤为明显。巷道顶板浅部约1.9 m处既有拉伸破坏也有剪切破坏，1.9 m以上以拉伸破坏为主，顶板破坏范围在7 m以内。

分析可知，2-105 工作面窄煤柱护巷支护设计应该以顶板为主，且支护高度应该大于7 m。巷道底板相对稳定，仅底角正下方及浅部发生剪切破坏，支护设计时可不予考虑。

3.2 主要支护参数的确定

以锚索的长度、排距及顶锚杆的数量为关键指标，采用FLAC3D软件对不同指标选取下的巷道表面位移进行模拟，正交模拟方案见表1[5]。

表1 正交模拟方案

以锚索长度为例，不同锚索长度下巷道变形量的数值模拟结果见图6。

图6 锚索长度与巷道表面位移关系

由图可以看出，随着锚索长度的增加，巷道的底臌量几乎保持不变，巷道顶板和两帮变形量呈现逐渐降低的趋势，但降低速率不同。当锚索长度小于8 m时，随着长度的增加，顶板下沉和两帮收敛迅速减少，但当锚索长度由8 m变为9 m时，巷道变形几乎保持不变。因此，锚索长度为8.0 m时，锚索能较好地控制巷道围岩变形量。

按照以上方法确定锚索的排距为0.9 m，顶锚杆数量为6 根。

3.3 窄煤柱护巷支护方案

在数值模拟的基础上，结合理论计算和工程类比，最终确定支护方案见图7。

图7 2-105 运输巷巷支护方案

（1）顶板支护

a、锚杆支护

顶锚杆为Φ18 mm×2 400 mm的高强螺纹钢锚杆，每根锚杆使用两卷Z2360 树脂锚固剂；间排距为0.9 m×0.9 m，每排布置锚杆6 根，靠近煤帮的两根锚杆向外倾斜15°，其余垂直顶板。每排锚杆用W钢带相连，规格为4 800 mm×100 mm×5 mm（长×宽×厚）。

b、锚索支护

顶锚索规格为Φ17.8 mm×8 400 mm，钻孔深度8.0 m。使用三卷Z2360 数值锚固剂。锚索呈“五花”布置。

（2）巷帮支护

实体煤帮采用Φ18 mm×2 000 mm左旋无纵筋螺纹钢锚杆，配一卷Z2360 树脂锚固剂，间排距为800 mm×900 mm，每排最上位和最下位锚杆分别向上和向下倾斜15°，其余垂直巷帮布置。

回采煤帮采用Φ18 mm×2 000 mm的玻璃钢锚杆，其他参数与实体煤帮相同。

4 矿压观测

2-105 运输巷掘进过程中设置测站，对巷道表面位移和顶板离层进行观测，验证沿空掘巷效果，其中测站3 的观测结果见图8。

图8 三号测站矿压观测结果

由图8可以看出，巷道掘进后10 d内变形量比较大，为巷道剧烈变形期，此阶段的底臌量为113 mm，顶板下沉量为36 mm，两帮收敛达到180 mm。10 d之后，变形速率逐渐减低，到50d左右基本稳定。

由于巷道底板未采取任何支护措施，巷道变形稳定后底臌量相对较大，为206 mm，但对生产影响较小。巷道顶板稳定，最终下沉不足50 mm，留巷支护取得了较好的效果。

顶板离层观测表明，巷道离层值较小，浅部和深度未出现明显下沉。

5 结论

1）通过理论计算和数值模拟，确定腾晖矿2-105 工作面窄煤柱的最佳宽度为7 m。

2）以巷道表面位移为评价指标，以锚索长度、间排距等为关键因素，采用数值模拟的方法确定锚索长度为8.0 m，排距为0.9 m。

3）2-105 工作面沿空掘巷的矿压观测表明，巷道顶板稳定，变形以底臌为主，最大底臌量为206 mm，无需卧底，满足了生产要求，可为类似条件下窄煤柱护巷设计提供参考。