厚煤层综放工作面区段煤柱合理宽度及巷道支护研究

张欣

（山西潞安工程有限公司，山西 长治 046100）

1 概 况

常村煤矿2106 轨道顺槽地面位置位于姬村以南，屯留国家粮食储备库西北。主要用于工作面运料、行人、通风。2106 轨道顺槽南接470 东翼辅助运输巷（已掘），北接2106 开切眼（已掘），西侧为2104 综放工作面，东侧为未采掘区域，巷道位置如图1（a） 所示，2106 轨道顺槽位于3 号煤层，煤层平均厚度为5.82 m。根据三维勘探二次解释结果显示，2106 轨顺掘进至距2107 回风联巷北帮70.3 m 位置时，巷道可能揭露F2（H=14 m∠70°） 正断层。2106 外切眼掘进范围未发育断层及陷落柱。除此之外，F2（H=14 m ∠70°） 正断层附近可能发育有其他衍生断层等构造。2106轨道顺槽长约897 m，巷道沿3 号煤层底板施工，宽5.0 m、高3.5 m，工作面地质柱状图部分如图1（b） 所示。针对该矿巷道临回采工作面掘进期间围岩变形大、支护困难问题，以2106 轨道顺槽为例，对其合理煤柱宽度及支护方案进行相关研究。

图1 巷道位置及顶底板岩层特征Fig.1 Roadway position and rock characteristics of roof and floor

2 合理煤柱宽度模拟分析

2.1 建立数值模型

与邻近回采工作面间煤柱宽度变化不仅影响巷道围岩应力环境，而且邻近工作面采动对巷道围岩的影响程度也随之变化，为明确煤柱宽度对于掘进巷道围岩稳定性的具体影响，以常村煤矿2106 工作面的工程地质条件为依据，借助FLAC3D 软件进行其掘进及工作面开采过程的模拟[1-2]，模型X 轴、Y 轴方向分别为煤层的倾斜方向、走向方向，设计模型X 轴方向长350 m、Y 轴方向宽150 m、Z 轴方向厚100 m，煤岩层具体力学参数见表1。模型顶部未建立的岩层总厚度约500 m，顶部自由边界施加12.5 MPa 的压应力，取侧压系数值为1.12，所建模型及模拟方案如图2（a） 所示。

表1 岩层主要力学参数Table 1 Main mechanical parameters of rock strata

图2 数值模型及开挖范围示意Fig.2 Numerical model and excavation scope

2.2 数值模拟研究

模拟计算时，2106 轨道顺槽沿3 号煤层底板布置，矩形断面宽5.0 m、高3.5 m，巷道无支护，采空区顶板采用自然崩落法处理，2104 工作面回采方向与2106 运输顺槽掘进方向相反，煤柱宽度为15～40 m。煤柱内的应力状况与巷道围岩稳定性密切相关，为准确掌握不同煤柱宽度内的应力分布，在煤柱中部布置测线，在2104 工作面回采稳定后，得到煤柱内垂直应力分布，如图3（a） 所示；监测巷道顶板垂直位移，得到图3（b） 所示结果。

图3 不同煤柱宽度条件下垂直应力和位移模拟结果Fig.3 Simulation results of vertical stress and displacement with different coal pillar width

根据数值模拟结果可以看出，煤柱宽度为15、20、25 m 时，煤柱内垂直应力基本呈单峰分布，应力峰值分别为18.73、21.58、25.09 MPa，此时煤柱两侧的应力在煤柱上方叠加，不利于巷道围岩的稳定；当煤柱宽度为30、35、40 m 时，煤柱内应力呈双峰分布，应力峰值稳定在20 MPa 以下，此时煤柱两侧的支承压力未在煤柱内部叠加，煤柱内存在一定宽度的弹性区[3]，对巷道围岩稳定较有利；煤柱宽度为15 ～25 m 时，巷道中线附近顶板下沉量最大值均超过500 mm 以上，煤柱宽度为30 ～40 m 时，巷道中线附近顶板下沉量最大值小于500 mm，巷道围岩稳定性较好。综上表明，2106 工作面与邻近合理煤柱尺寸为30 m。

3 支护方案模拟研究

常村煤矿2106 轨道顺槽原设计支护方式为锚网支护，结合相似条件下巷道变形特征，在原支护基础上，通过增加锚索、调整锚杆布置参数进行支护方案的优化，共提出5 种支护方案。

方案一(原支护）：顶板及两帮锚杆规格φ22 mm×2 400 mm，每排14 根锚杆，顶锚杆间距900 mm，预紧力距250 N·m，所有锚杆垂直顶板安装，帮锚杆间距950 mm，预紧力距150 N·m，所有锚杆沿水平方向布置。

方案二：在原支护基础上，锚杆排距优化为800 mm，顶板增加1 根锚索，规格φ22 mm×6 300 mm，排距2.4 m，预应力150 kN。

方案三：在原支护的基础上，肩角附近的锚杆倾斜布置，顶板增加锚索支护，锚索规格φ22 mm×7 300 mm，采用“二一二”布置，间排距2 200 mm×1 800 mm，预应力150 kN。

方案四：在方案三的基础上，顶板锚索调整为“二二”布置，间排距2 200 mm×900 mm，顶板锚杆预紧力距350 N·m，帮锚杆预紧力距250 N·m，顶板锚索预应力250 kN。

方案五：在方案四的基础上，顶板锚索调整为“三三”布置，间排距1 100 mm×900 mm。

2106 轨道顺槽与邻近回采工作面间留设30 m煤柱，巷道附近的煤岩体网格加密布置，根据数值模拟结果，整理得到顶板下沉量和煤柱帮内移量变化规律，如图4 所示。可以看出，5 种支护方案条件下，巷道顶板下沉量和煤柱帮内移量均较支护前显著降低，说明各支护方案均能对围岩起到一定的控制作用。原支护方案条件下，顶板下沉量和煤柱帮内移量均相对较大，支护效果相对较差；支护方案2、3 条件下，巷道表面变形量相对较小，支护效果得到一定提升，但支护方案4、5 对于巷道围岩的控制效果更好，顶板最大下沉量为80 mm 左右，煤柱帮最大水平位移为40 mm 左右，预计可保证巷道围岩稳定性。

图4 不同支护方案围岩变形量Fig.4 Deformation of surrounding rock under different support schemes

4 最优支护方案设计及应用效果分析

4.1 最优支护方案

结合前文数值模拟结果并同时考虑资源利用率、巷道支护等方面因素，确定常村煤矿2106 轨道顺槽与2104 综放工作面间煤柱宽度为30 m，掘巷阶段永久支护方式为预应力高强锚网索梁联合支护，详细参数如下。

巷道断面尺寸宽、高为5.0 m、3.5 m，顶板锚杆规格φ22 mm×2 400 m，所用材料种类为左旋螺纹钢，顶板锚索规格φ22 mm×7 300 m，所用材料种类为1770 级低松弛钢绞线，顶板钢筋梯子梁由直径14 mm 的圆钢制作，顶板和两帮采用8号菱形金属网片护表，顶板锚杆预紧力距350 N·m，帮锚杆预紧力距250 N·m，顶板锚索预应力250 kN，支护详情如图5 所示。

图5 2106 轨道顺槽支护方案Fig.5 Support scheme of No.2106 track crossheading

4.2 支护效果分析

常村煤矿2106 轨道顺槽采用高强度预紧力锚杆锚索支护方案（优化支护方案四），与2104 工作面间留设30 m 煤柱，掘巷期间及2106 工作面回采期间监测巷道表面围岩变形量[4]，典型数据如图6 所示。可以看出，掘进期间巷道支护完成后，随着成巷时间的延长，巷道表面变形量呈现阶段性快速增大后趋于稳定的趋势，顶底板移近量约51.8 mm，两帮移近量约59.4 mm，巷道表面变形量微小，可见变形破坏得到有效控制，能够保证巷道正常使用；在服务于工作面生产期间，超前工作面约35 m 处围岩开始进一步变形，在距工作面10 m 以内时变形速度最快，在工作面回采至测站前方约1 m 处时，顶底板移近量及两帮移近量均为350 mm左右，总体变形量虽然较大，但是可保证巷道的正常生产，巷道的过度变形得到有效控制。

图6 矿压监测结果Fig.6 Mine pressure monitoring results

5 结 语

针对常村煤矿与回采工作面相邻巷道煤柱留设宽度不合理、支护效果差的问题，通过现场调研、数值模拟等方法，对最优煤柱宽度和巷道支护方案进行研究，工业性试验阶段进行矿压监测，结果表明，煤柱宽度大于30 m 后，煤柱内存在稳定的弹性区，利于巷道围岩稳定，结合2106 轨道顺槽的工程地质特征，在原支护方案的基础上提出了5 种锚网索联合支护方案，通过数值模拟分析确定最优方案，实践表明，优化后的煤柱尺寸和支护方案可控制巷道围岩的变形破坏，满足矿井安全生产需求。