软煤厚硬基本顶沿空掘巷煤柱宽度优化与控制技术

吕风

（冀中能源股份有限公司 东庞矿，河北 邢台 054201）

0 引 言

为实现煤炭资源的精采细采、减少资源浪费，沿空掘巷技术被我国煤矿广泛采用[1-2]。但是由于其侧向顶板结构和力学环境的特殊性，仍存在诸多限制与不足。其中，沿空掘巷合理煤柱宽度的选取及支护技术的深入研究，是该技术成功实施的难点与关键。

因此，针对上述难题，诸多学者对沿空掘巷窄煤柱及围岩控制进行了大量研究。谢广祥[3]等建立了适用于综放开采及煤层存在明显倾角条件下的煤柱力学模型，理论计算了煤柱极限强度发生位置；冯吉成等[4]通过数值模拟分析探究了巷道侧煤柱塑性区分布以及不同尺寸煤柱采掘影响下巷道围岩变形规律；张科学[5-6]通过研究获得了确定沿空掘巷窄煤柱宽度的方法；杨科等[7]就煤柱留设位置相对于工作面的方位以及煤柱宽度这两个影响因素，对巷道稳定性的影响进行了探析；蒋威等[8]研究了厚硬基本顶综放沿空巷道的覆岩应力分布特征及受载变形机制。

专家学者针对沿空掘巷煤柱宽度优化及支护技术开展了诸多有益研究，本文以上述研究为基础，对东庞矿21221 工作面煤柱的合理宽度尺寸及轨道巷支护方案进行了研究，并开展现场工业化试验。

1 概 况

东庞矿21221 工作面井下位置位于-480 水平第十二采区，其地面标高为93.0—102 m，工作面标高约为-450—-517 m。工作面西北到已回采完毕的21219 工作面，现沿21219 采空区下侧留设窄煤柱，并沿2 号煤层顶板掘进21221 轨道巷。2 号煤是主采煤层，煤层平均厚度和平均倾角分别为4.9 m 和4°，含1 层夹矸，夹矸厚度约为0.8 m，2 号顶底板岩性及其柱状图如图1 所示。

图1 2 号煤层顶底板岩性及其柱状图Fig.1 Roof and floor lithology of No.2 coal seam and its histogram

2 沿空掘巷煤柱宽度合理尺寸理论研究

2.1 基于“内外应力场”的沿空掘巷窄煤柱宽度分析

沿空掘巷窄煤柱应布置在采空区煤体边缘支承压力减压区内，避开支承压力高应力区的影响，以减小巷道变形与提高巷道支护系统的稳定性。当基本顶岩梁断裂并稳定后，支承压力区分布将以断裂线为界分为2 个部分[9]，即宽度为S1的“内应力场”和宽度为S2的“外应力场”，其中“内应力场”由断裂岩梁的自重所决定，“外应力场”由整个上覆岩层的重量所决定。根据“内外应力场”理论，得到内应力场宽度表达式为：

式中：K0为顶板断裂线附近已处于塑性状态的煤体刚度，Pa；x0为煤壁煤体的平均压缩量，m；q0为基本顶上覆载荷，MPa；γ 为基本顶岩层平均容重，kN/m3；d为基本顶厚度，m；l为工作面长度，m；σt为基本顶抗拉强度，MPa。

要保证巷道及煤柱均处在减压区域内，须使得窄煤柱与沿空巷道的宽度相加所得到的结果小于等于S1，所以有：

将工作面相关参数代入得到“内应力场”宽度为12.6 m，由于巷道宽度为4.5 m；因此煤柱的宽度应小于8.1 m。

2.2 基于塑性分区的窄煤柱宽度分析

煤柱受上工作面回采、沿空巷道掘进影响，两侧将会存在一段破坏区，为了保护巷道和煤柱自身的稳定性，护巷煤柱不能太窄，如图2 所示。煤柱宽度的计算表达式为[10]：

图2 窄煤柱弹塑性区宽度计算模型Fig.2 Elastic-plastic zone width calculation model of narrow coal pillar

式中：X1为受上工作面回采影响而产生的靠近采空区一侧的煤柱破坏区宽度；X2为煤柱中间具有支撑能力的弹性核区的宽度，取（X1+X3） 30%～50%；X3为沿空巷道掘进后靠近巷道侧煤柱破坏区的宽度。

区段煤柱左侧塑性区宽度X1为：

式中：h为煤层赋存厚度，m；λ 为侧压系数；φ0为煤层内摩擦角，（°）；k为应力集中系数；γ 为岩层的平均容重，kN/m3；H为巷道埋深，m；C为煤层内聚力，MPa；P0为巷道支护阻力，MPa。

区段煤柱右侧塑性区宽度X3为：

式中：a为半圆形巷道半径，m；η 为修正系数；k为应力集中系数；γ 为岩层的平均容重，kN/m3；H为巷道埋度，m；C为煤层内聚力，MPa；φ0为煤层内摩擦角，（°）；P1为巷道受到的支护阻力，MPa。

根据东庞矿软碎煤层的特定地质条件，将工作面及巷道相关参数带入公式可得，上区段工作面采空区侧煤柱破坏区域宽度X1为2.1 m，巷道侧煤柱破坏区域宽度X3为1.7 m，根据公式X2=（30%～50%） （X1+X3） 计算得出X2取值范围为1.14~1.9 m。则得到护巷煤柱宽度至少应大于4.94 m。

3 沿空掘巷窄煤柱合理宽度数值分析

3.1 模型建立与模拟方案

FLAC3D 三维建模的地层参数均以工作面的实际地质条件为基准，建立21221 工作面的FLAC3D数值计算模型，模型尺寸为：x×y×z= 200 m×300 m×90 m。模型采（掘） 顺序为：上工作面—21221 轨道巷—21221 工作面。

3.2 应力分布特征及转移规律

当煤柱宽度不同时，得到21221 工作面轨道巷掘进期间围岩垂直应力分布云图，如图3 所示。

图3 不同煤柱宽度下围岩垂直应力分布云图Fig.3 Vertical stress distribution nephogram of surrounding rock under different coal pillar widths

（1） 巷道顶底板围岩应力状态基本不随煤柱宽度变化而变化，不同煤柱宽度的顶底板应力均处于大范围低应力状态，且近似呈对称分布。

（2） 不同煤柱宽度下的煤柱侧和实体煤帮侧深部均存在应力集中现象，随着煤柱宽度增加，煤柱侧的应力集中程度也会增加，而实体煤帮侧应力集中程度减弱。

（3） 煤柱宽度为3～5 m 时，应力集中现象在实体煤帮侧较明显，煤柱内受力较弱，导致巷道发生严重的内挤变形；煤柱尺寸为7～9 m 时，煤柱受力增强，煤柱对顶板的支撑起到重要作用，可以保证巷道围岩及煤柱的稳定。

（4） 煤柱尺寸为11～13 m 时，应力集中现象在煤柱侧更明显，应力峰值逐渐增大，应力峰值区范围逐渐扩大，而在实体煤帮侧恰好相反，此时，煤柱内的高应力集中状态不利于控制沿空巷道围岩变形。

3.3 不同煤柱宽度塑性区分布特点

当煤柱宽度不同时，得到21221 工作面轨道巷掘进期间围岩塑性区分布云图，如图4 所示。

图4 不同煤柱宽度21221 轨道巷围岩塑性区分布云图Fig.4 surrounding rock plastic zone distribution nephogram of No.21221 track roadway under different coal pillar widths

（1） 不同煤柱宽度下的巷道围岩均处于剪切塑性状态，且围岩处于塑性状态的范围会随着煤柱宽度的增加而减小。

（2） 煤柱宽度为3～5 m 时，受上工作面开采和巷道掘进影响，巷道围岩及煤柱均发生范围较广的剪切塑性破坏，且煤柱帮及巷道顶板发生显著内挤变形。

（3） 煤柱尺寸为7～9 m 时，煤柱上方及巷道顶板塑性区明显减小并出现弹性核区，在此情况下对巷道顶板施打锚杆索，锚索将能够锚固在岩体的弹性区中，能较大程度地发挥锚固效果。

（4） 煤柱尺寸为11~13 m 时，煤柱内塑性破坏岩体开始变为弹性岩体，煤柱内会出现弹性核区，煤柱破坏程度明显减少，但较宽煤柱尺寸将导致浪费大量煤炭资源。

综合上述分析可知，合理的煤柱宽度应该在7～9 m，不仅能够充分发挥锚杆索的支护效果和煤柱的承载作用，保障巷道的稳定性，还能减少煤柱宽度，增加资源回收率。

3.4 窄煤柱合理宽度综合确定

应用内外应力场及极限平衡区理论，并结合煤柱塑性区分布特征及围岩垂直应力分布的特点，同时兼顾工程类比与经济效益，综合确定煤柱的宽度为7 m。

4 软煤厚硬基本顶沿空掘巷围岩稳定性控制技术

4.1 围岩支护方案

依据以上理论分析及数值模拟研究结果分析，并结合矿方的实际地质条件及现场工程实践经验，最终确定东庞矿2 号煤层21221 轨道巷采用“高强锚杆（索） 槽钢桁架网”的联合支护方案。

21221 轨道巷顶锚索采用φ21.8 mm×8 500 mm，用两道槽钢锚索顺巷迈步交叉式布置，距巷中1 000 mm 各布置一道，间排距为2 000 mm×2 400 mm；顶锚杆使用φ22 mm×2 400 mm 高强度左旋无纵肋螺纹钢锚杆，间排距为800 mm×800 mm；帮锚索使用顺巷槽钢锚索，规格为φ21.8 mm×6 500 mm，其间排距为1 200 mm×2 400 mm；帮锚杆使用规格为φ20 mm×2 400 mm 全螺纹钢锚杆，其间排距800 mm×800 mm，槽钢长度均为3 000 mm。在巷道顶板及巷道两帮铺设规格为1 m×4 m菱形金属网，金属网平行巷道中心线铺设，每间隔200 mm 用12 号铁线拧紧。具体支护如图5 所示。

图5 21221 工作面轨道巷支护示意Fig.5 Support of No.21221 track roadway

4.2 矿压监测及结果分析

为了解沿空掘巷围岩的矿压显现状况及支护结构的变形特征，在该工作面回采阶段，布置测站监测巷道围岩表面的变形量，如图6 所示。

图6 巷道围岩表面位移监测曲线Fig.6 Surface displacement monitoring curve of roadway surrounding rock

受该工作面回采引起的超前支撑压力作用，巷道表面变形量明显增大，且随着与工作面间距离的增加，巷道围岩表面变形量逐渐减小，巷道围岩的大部分变形形成于距工作面45 m 范围内。同时还可以看出，煤柱侧、实体煤侧、煤柱侧顶板、实体煤侧顶板4 个监测点中变形量最大的为煤柱侧292 mm、最小的为实体煤侧顶板236 mm。综上分析，巷道支护后围岩变形量在可控范围内，巷道断面满足使用要求。

5 结 论

（1） 由理论分析计算得到内应力场宽度为12.6 m，受上工作面回采影响而产生的靠近采空区侧的煤柱破坏区域宽度为2.1 m，受沿空巷道掘进影响而产生的靠近巷道侧的煤柱破坏区域宽度为1.7 m，理论计算出窄煤柱的合理宽度范围为4.94~8.1 m。

（2） 数值分析计算得到合理的煤柱宽度应该在7～9 m，该煤柱宽度范围不仅能够充分发挥锚杆索在顶板中的支护效果，维持巷道围岩稳定，还避免了留设更宽煤柱造成的煤炭资源浪费。

（3） 采用7 m 窄煤柱宽度及“高强锚杆（索）槽钢桁架网”联合支护技术后，在该工作面回采期间，巷道围岩变形量在可控范围内，实现了对软煤厚硬基本顶沿空掘巷围岩的有效控制。