赵家山窄煤柱沿空掘巷巷道布置与支护设计

董传宝 田 强 李金桥

（山西省太原市清徐县赵家山煤业有限公司，山西 清徐 030400）

1 概况

2103 工作面回风顺槽位于2104 工作面采空区西侧，该顺槽范围内除X45、X46 陷落柱外，无大的断层及陷落柱，地质条件简单，且陷落柱不导水。

2103 回风顺槽沿2 号煤层布置，全长1092 m，前381 m 利用2104 工作面运输顺槽，中间20 m 作为联络巷，后691 m 作为沿空掘巷巷道。

2 号煤层煤厚0.99～2.73 m，平均2.14 m。顶板为砂质泥岩或泥岩，局部为粉砂岩或中、细砂岩。底板为中、细粒砂岩、泥岩，局部为砂质泥岩。

2 煤柱宽度优化设计

运用UDEC 数值模拟软件[1-5]模拟2103 回风顺槽掘进过程不同煤柱时的破坏变形情况，如图1。

图1 煤柱破坏变形曲线

由图1 分析可知，随着煤柱宽度增加，煤柱变形量呈先小后大的一个“V”型变化。当2103 回风顺槽煤柱为3 m 时，煤柱破坏较为严重，煤体帮变形量达600 mm，煤柱帮变形量达400 mm；煤柱为5 m 时，煤体帮变形量约195 mm，煤柱帮变形量约220 mm；煤柱为8 m 时，煤体帮变形量约200 mm，煤柱帮变形量约500 mm；煤柱为15 m 时，煤体帮变形量约260 mm，煤柱帮变形量约580 mm。

根据以上分析，考虑到工作推采过程受超前压力影响，以及掘进过程中的施工问题，提高采掘施工期间的安全系数，确定2103 回风顺槽的煤柱宽度为8 m。

3 沿空掘巷巷道支护

3.1 锚杆支护参数数值分析

以赵家山矿现场生产地质条件为基础建立数值模拟模型，通过数值计算确定2103 回风顺槽锚杆长度、锚杆间排距等合理的支护参数。锚杆参数比较方案见表1。

表1 锚杆参数比较方案

3.1.1 锚杆长度的确定

锚杆长度是巷道支护的关键因素，锚杆长度应能满足锚固区内足够的承载能力。锚杆过长，对锚固力承载能力变化不大，锚杆过短，造成锚固长度不够，影响巷道围岩的稳定性。根据赵家山矿目前使用的锚杆类别，选取直径为20 mm 的锚杆，不同锚杆长度对2103 回风顺槽围岩变形量见表2。

由表2 分析可知，2103 回风顺槽顶板及两帮随着锚杆长度的增加，巷道围岩累计变形量减少，但底板基本没有变形。锚杆长度由1.6 m 增加到2.0 m时巷道围岩累计变形量变化较显著，尤其是煤柱帮变形量；锚杆长度由2.0 m 增加到2.4 m 时巷道围岩累计变形量幅度明显趋缓。同时考虑经济和施工技术因素，确定2103 回风顺槽锚杆长度为2.0 m。

表2 2103 回风顺槽不同锚杆长度围岩变形量

3.1.2 锚杆间排距的确定

根据现场实际情况确定锚杆间距800 mm，根据此锚杆间距来选择合理的锚杆排距。2103 回风顺槽锚杆排距与巷道围岩累计变形关系见表3。

表3 2103 回风顺槽不同锚杆排距巷道围岩变形量

由表3 分析可知，随着锚杆排距的增加，巷道围岩累计变形量呈增加趋势，但增加的幅度不一样。2103 回风顺槽锚杆排距由800 mm 增加到1200 mm时，顶板及两帮围岩累计变形量逐步增加。考虑煤柱的稳定性及巷道变形量，设计2103 回风顺槽顶板及两帮锚杆排距为800 mm。

3.2 锚索支护参数数值分析

3.2.1 锚索规格的确定

锚索规格直接影响锚索的强度，运输顺槽服务期间将经历工作面动压影响，结合现场实际情况，选择锚索直径为Φ17.8 mm 钢绞线锚索。

3.2.2 锚索长度的确定

锚索长度是锚杆支护系统中的重要支护参数之一，锚杆的作用是把浅层的顶板形成一个小整体，然后在这个锚杆支护区域内再施工锚索固定，通过锚索将浅层的锚杆锚固围岩与深层的稳定围岩形成一个大区域，使巷道顶板的岩体自我支撑，起到支护加固作用。同时，锚索长度不宜过长，否则锚索延伸量相应也会增加，导致顶板离层空间较大，容易引起煤岩体发生轴向和横向错动剪断支护体。

（1）煤柱帮锚索长度。在煤柱帮打锚索，锚索长度取值范围为3300 mm、3800 mm、4300 mm、4800 mm。2103 回风顺槽实体煤帮锚索长度和巷道围岩变形关系见表4。

分析表4 可知，锚索长度对巷道围岩累计变形影响显著。锚索长度从3.3 m 增加到4.3 m 时，顶板、实体煤帮和煤柱帮围岩累计变形量显著减小，尤其是顶板围岩累计变形量从156 mm 减小到88 mm，减小了68 mm。底板围岩累计变形量变化不明显，略微增加。锚索长度从4.3 m 增加到4.8 m 时，巷道围岩累计变形量变化不明显，即锚索长度继续增加后，围岩控制效果并没有继续变好。考虑锚固体本身的稳定性、承载能力及对巷道围岩变形的控制效果，选择2103 回风顺槽采空侧帮锚索长度为4300 mm。

表4 2103 回风顺槽采空侧帮不同锚索长度巷道围岩变形量

（2）顶板锚索长度。顶板锚索长度取值范围为5300 mm、6300 mm、7300 mm、8300 mm、9300 mm，2103 回风顺槽顶板锚索长度和巷道围岩变形关系见表5。

表5 2103 回风顺槽煤板不同锚索长度巷道围岩变形量

分析表5 可知，顶板及两帮随着锚索长度的增加巷道围岩累计变形量减小，底板围岩累计变形量基本无变化。2103 回风顺槽锚索长度由5.3 m 增加到8.3 m 时巷道围岩累计变形量变化较显著，尤其是煤柱帮变形量；锚索长度由8.3 m 增加到9.3 m 时依然减小，但是减小幅度减低。考虑现场目前实际支护参数，选择2103回风顺槽顶板锚索长度为8.3 m。

3.2.3 锚索间排距的确定

本设计通过FLAC3D数值计算软件模拟不同锚索数量下围岩变形特征。

（1）采空侧煤帮锚索间排距确定

2103 回风顺槽帮锚索间距和巷道围岩变形关系见表6。

分析表6 可知，锚索数量对巷道围岩累计变形影响显著。帮锚索从0 根增加到3 根，实体煤帮围岩累计变形量从198 mm减小到126 mm，变化较为显著。在锚索1 根时出现转折点，考虑到对顶板和煤柱帮围岩变形控制效果，并结合经济成本考虑，采空侧帮锚索采用每排2 根布置方式，排距为1600 mm。

表6 2103 回风顺槽实体煤帮不同锚索数量巷道围岩变形量

（2）顶板锚索间距

2103 回风顺槽顶板锚索间距和巷道围岩变形关系见表7。

表7 2103 回风顺槽顶板不同锚索数量巷道围岩变形量

分析表7 可知，锚索数量对巷道围岩累计变形影响显著。锚索从0 根增加到4 根，2103 回风顺槽顶板围岩累计变形量从178 mm 减小到111 mm，减小了67 mm，变化较为显著。锚索为1 到2 根时，围岩变形速度出现转折，随着锚索的增加变形不大。考虑到对顶板和煤柱帮围岩变形控制效果，并结合经济成本及现场实际支护参数，2103 回风顺槽顶板布置3 根锚索，间距为1600 mm，排距为2400 mm。

4 结论

（1）赵家山煤业2 号煤层采用窄煤柱沿空掘巷巷道布置方式可提高煤炭资源回采率，增加矿井经济效益。

（2）2103 回风顺槽沿空掘巷段前90 m 位于X45、X46 陷落柱内，90 m 至切眼段内分布有一个X49 陷落柱及3 个断距小于1 m 的小段层，总体地质条件较为简单，试验条件较好。

（3）通过理论计算，确定2103 回风顺槽的煤柱宽度为8 m。

（4）采用窄煤柱沿空掘巷巷道布置后，2103回风顺槽支护方案相应调整，具体如下：锚杆规格不变，顶锚杆间排距由原来的750 mm×900 mm调整为750 mm×800 mm；在采空区侧煤柱加增帮锚索，锚索规格为Ф17.8 mm×4300 mm，间排距1600 mm×1600 mm。其余支护参数不变。