灰岩顶板巷道小煤柱尺寸确定及支护技术研究

李中伟

(1.天地科技股份有限公司 开采设计事业部，北京 100013； 2.中煤科工开采研究院有限公司，北京 100013)

回采工作面间留设合理的煤柱尺寸是煤炭资源高效开采的先决条件，许多专家学者[1-6]对煤柱尺寸留设和巷道围岩控制技术进行了研究，高预紧力锚杆锚索支护技术显著提高了巷道围岩控制效果[7-10]。

王宇等[11]以顾桥1126(1)工作面为背景，得到煤岩体侧向采动应力方程和破坏深度方程，提出高预紧力全长锚固锚杆+锚索+钢带+金属网的非对称锚网索密集支护方案。马金录[12]利用 FLAC3D数值软件对7种宽度范围内的煤柱进行模拟，分别从沿空掘进期间煤柱的垂直应力分布、水平位移分布、表面位移对煤柱的稳定性进行对比分析，确定了合理的沿空掘巷煤柱尺寸。董合祥[13]基于对特厚煤层窄煤柱护巷围岩控制难点分析，提出了顶板采用高强高预紧力锚杆锚索和强护表构件的联合支护技术，煤柱帮采用强力锚杆支护系统和喷浆加固的围岩控制技术，实体煤帮采用高强锚杆锚索支护系统结合钻孔卸压。张守宝等[14]根据典型工程背景和护巷煤柱的中性区理论，建立数值模型模拟分析不同宽度煤柱内中性区的变化和承载力特征。董崇泽等[15]采用钻孔观测、 位移及应力监测与数值分析方法研究了小煤柱沿空掘巷巷道变形及锚杆锚索受力特征。赵铁林[16]用理论分析、数值模拟和现场测试的方法，研究了特厚煤层综放开采沿空掘巷煤柱宽度的合理尺寸。柏建彪等[17]研究了综放沿空掘巷围岩变形及窄煤柱的稳定性与煤柱宽度、煤层力学性质及锚杆支护强度之间的关系，确定了不同煤层条件下相应的窄煤柱合理宽度。

以上研究基本集中在破碎顶板巷道小煤柱尺寸留设及支护技术研究，本文以辛置煤矿10号煤层K2灰岩顶板巷道为工程背景，测试了巷道围岩地质力学参数，理论分析和数值模拟联合确定了煤柱尺寸，提出了高预紧力锚杆锚索支护方案，井下试验效果表明煤柱尺寸留设合理，在巷道变形可控的前提下实现了煤炭资源的安全、高效开采。

1 地质力学参数测试

东四左翼采区煤柱AB面副巷，地面标高为+723～+780 m，工作面标高+428～+437 m，巷道长度793 m，主要用于AB工作面的运料、回风、行人，巷道服务年限为1年，巷道主要受10-407工作面采空和本工作面超前采动影响。北部紧邻10-407工作面采空区，2008年回采结束，南部为本工作面，工作面布置如图1所示。东四左翼采区煤柱AB面开采10号煤层，10号煤层位于二叠系太原组下段上部，煤层稳定可采，结构复杂，含2层夹矸，半亮型煤为主，次为镜煤、暗煤，金属—似金属光泽，煤层平均厚2.6 m，倾角3°～6°。煤层直接顶为泥岩，黑色，呈薄层状，平均厚2.0 m。煤层底板为砂质泥岩，平均厚度3.54 m，灰黑色，致密坚硬，含黄铁矿结核。基本顶为K2灰岩，平均厚度8.2 m，深灰色，致密坚硬，夹燧石条带。

图1 东四左翼采区煤柱AB面副巷平面布置Fig.1 Layout plan of auxiliary roadway in face AB of coal pillar in East Fourth left wing mining area

地质力学参数测点布置在东四左翼胶带巷中，距B切巷50 m，对地应力、围岩强度和围岩结构进行了测试。采用KDBC-56型数字全景钻孔窥视仪对巷道顶板进行了围岩结构窥视，结果如图2所示。顶板以上0～8.0 m为K2灰岩，呈深灰色，块状结构坚硬，该段岩层1.9 m和5.1 m处裂隙发育；3.8～4.5 m为破碎带，完整性差；5.2～8.0 m岩层完整；8.0～8.2 m为煤线；8.2～18.5 m为砂质泥岩，呈灰黑色，泥质胶结，8.2～16.7 m完整，16.8 m处有裂隙，16.9～18.5 m岩层完整；18.5～18.9 m为泥岩夹层；18.9～20.2 m为细砂岩，呈灰白色，块状结构岩层完整。整体看巷道顶板K2灰岩完整性较好，有利于巷道顶板的稳定。

采用WQCZ-56型围岩强度测试装置对窥视孔10 m范围内的岩体开展了强度测试，顶板岩体强度分布情况如图3所示。顶板K2灰岩的单轴抗压强度为94.29 MPa，砂质泥岩的单轴抗压强度为43.20 MPa。

对10号煤层进行了强度测试，煤体的单轴抗压强度为19.26 MPa。采用SYY-56型小孔径水压致裂地应力测量装置，开展了1个测点的地应力测试，测试结果为最大水平主应力16.61 MPa，最小水平主应力9.81 MPa，垂直应力7.21 MPa，所测区域应力场类型为σH>σh>σV型应力场。按照相关地应力量级标准，测试区域地应力场在量值上属于中等应力值区，最大水平主应力方向为N69.8°E。

图2 巷道顶板岩层窥视Fig.2 Peep view of roadway roof slate layer

图3 测点顶板岩体强度测试结果Fig.3 Test results of roof rock mass strength at test point

2 小煤柱宽度设计

2.1 理论分析

为保障煤柱帮锚杆锚固力，提高锚杆支护效果，控制煤柱帮变形，需要避免煤柱帮锚杆打入上部工作面回采在煤柱侧产生的塑性区。依据煤体应力和极限平衡理论，计算合适的小煤柱宽度B：

B=x1+x2+x3

(1)

巷道高度2.7 m，泊松比取0.3，侧压系数为0.43，内摩擦角30°，黏聚力为0.8 MPa，埋深300 m，容重为25 kN/m3，10-407工作面巷道帮部支护阻力约0.12 MPa，锚杆锚入煤柱的深度为1.9 m，10-407采空区稳定，应力集中系数取1.5，计算可得小煤柱宽度为5.18～6.08 m。

2.2 数值分析

采用FLAC3D数值计算软件，模拟分析10-407工作面采空后侧向集中应力分布情况，模型尺寸为300 m×100 m×60 m，模型中10-407工作面采空区宽度220 m。三维模型的边界条件取为上部为自由边界，四周和底部铰支。

数值模拟中煤岩体物理力学参数见表1。

表1 数值模拟中煤岩体物理力学参数Tab.1 Physical and mechanical parameters of coal and rock mass in numerical simulation

10-407工作面回采后煤柱内的侧向支承应力分布情况如图4所示，塑性区分布如图5所示。对比分析图4、图5可以看出，10-407工作面回采后煤柱侧距采空区1 m范围内煤体塑性破坏，距采空区3 m范围内应力集中程度较高，距采空区5.5 m后应力集中程度明显降低。上述模拟结果说明在K2灰岩顶板的支撑下，侧向采动破坏范围和高应力范围均较小，有利于采空小煤柱沿空掘巷的布置方式。

图4 10-407工作面采空后支承应力分布Fig.4 10-407 support stress distribution after goaf in working face

图5 10-407工作面采空后塑性区分布Fig.5 Distribution of plastic zone after goaf in working face 10-407

随着离采空区距离增大，由于采动引起的应力集中程度逐渐降低。在综合考虑提高煤体资源回收率和巷道围岩变形可控的前提下，结合数值模拟和理论分析结果，确定净煤柱宽度为6 m。

3 现场试验

3.1 支护设计方案

东四左翼采区煤柱AB面副巷为矩形断面，沿10号煤顶板掘进，巷道掘宽4.2 m，掘高2.7 m。

(1)顶板支护。锚杆杆体为φ18 mm左旋无纵筋螺纹钢筋，屈服强度335 MPa，长度2 m，螺纹长度150 mm，杆尾螺纹为M20。锚杆托板为φ130 mm×8 mm×20.5 mm圆形碟片。采用2支树脂药卷锚固，1支MSCKb2360树脂锚固剂，1支MSZ2388树脂锚固剂。锚杆组合构件为钢筋托梁，选用φ12 mm的钢筋焊接而成，宽度80 mm，长度3.8 m，锚杆孔中心间距950 mm。顶板护网选用六边形机编钢丝网，10号铁丝编织，网片规格1.5 m×1.1 m，网孔规格50 mm×50 mm。顶板锚杆排距1 m，每排5根锚杆，间距950 mm。锚杆扭矩不小于200 N·>m。锚索直径为17.8 mm，1×7股高强度低松弛预应力钢绞线，最大力总延伸率不低于3.5%，长度4.5 m，采用3支树脂药卷，2支规格为MSZ2388，1支规格为MSCKb2360。锚索托盘采用300 mm×300 mm×14 mm方形高强度拱型锚索托盘及配套锁具，托盘拱高不低于60 mm。锚索“二·>二”布置，排间距为2.0 mm×1.4 m。锚杆锚索全部垂直巷道顶板打设，锚索初始张拉至150 kN(图6)。

图6 锚杆锚索支护方案Fig.6 Bolt and anchor cable supporting scheme

(2)帮部支护。锚杆杆体为φ18 mm左旋无纵筋螺纹钢筋，屈服强度335 MPa，长度2.0 m，螺纹长度150 mm，杆尾螺纹为M20。锚杆托板为φ130 mm×8 mm×20.5 mm圆形碟片。采用1支MSZ2388树脂锚固剂锚固。锚杆组合构件为钢筋托梁，选用φ12 mm的钢筋焊接而成，宽度80 mm，长度2.6 m，锚杆孔中心间距800 mm。帮部护网采六边形机编钢丝网，10号铁丝编织，网片规格1.5 m×1.1 m，网孔规格50 mm×50 mm。每排每帮4根锚杆，排间距为1.0 m×0.8 m，最上1根锚杆距顶板100 mm。锚杆扭矩不小于200 N·>m。帮锚杆全部垂直巷道帮部打设。

3.2 矿压监测

掘进期间布置了锚杆锚索受力测站，锚杆锚索受力情况如图7所示。顶帮锚杆预紧力均达到40 kN以上，锚索预紧力达120 kN，锚杆锚索主动支护效果好，锚杆锚索工作阻力基本保持不变，说明锚杆锚索支护强度达到了临界支护强度。

图7 锚杆锚索受力曲线Fig.7 Stress curve of bolt and cable

掘进期间，巷道多数地段顶板和两帮变形量基本为0。回采期间两帮移近量在500 mm左右，煤柱帮和采帮变形量基本相同，顶板变形量较小、比较完整，下沉量在100 mm左右。

试验结果表明，6 m小煤柱设计宽度合理，巷道围岩应力较低，设计了高预紧力锚杆锚索巷道支护方案，掘进期间锚杆锚索预紧力高主动支护效果好，锚杆锚索受力稳定。回采期间受临近工作面采空和本工作超前采动影响的叠加作用，巷道两帮变形量增加较大，但是能满足工作面安全、高效开采的需求。因此，煤柱尺寸和巷道支护方案设计较合理。

4 结论

(1)根据巷道两帮煤体应力和极限平衡理论分析小煤柱宽度为5.18～6.08 m。数值模拟得出10-407工作面回采后煤柱侧距采空区1 m范围内煤体塑性破坏，距采空区3 m范围内应力集中程度较高，距采空区5.5 m后应力集中程度明显降低。综合确定煤柱宽度6 m。

(2)6 m小煤柱设计宽度合理，巷道围岩应力较低。巷道采用高预紧力锚杆锚索支护方案后，掘进期间锚杆锚索预紧力高主动支护效果好，锚杆锚索受力稳定。回采期间巷道两帮变形量可控，能满足工作面安全、高效开采的需求。