柏永生

（云南省煤炭產(chǎn)業(yè)集團(tuán)有限公司羊場(chǎng)煤礦）

窄煤柱沿空掘巷是指在上區(qū)段工作面回采完畢且圍巖穩(wěn)定后，沿采空區(qū)邊緣掘進(jìn)巷道，留設(shè)窄煤柱以承受上覆巖層因采動(dòng)影響所產(chǎn)生的壓力，以提高煤炭回采率和巷道穩(wěn)定性的巷道施工技術(shù)［1-3］。但煤柱寬度過小時(shí)，其承受上覆巖層壓力的能力較弱，在下區(qū)段工作面回采擾動(dòng)影響下易發(fā)生失穩(wěn)破壞，導(dǎo)致巷道發(fā)生較大變形和漏風(fēng)［4］；而煤柱寬度較大時(shí)，雖能確保煤柱和巷道穩(wěn)定性，但會(huì)致使大量寶貴煤炭資源滯留井下，嚴(yán)重影響煤炭資源回采率［5］。合理的護(hù)巷煤柱留設(shè)寬度是決定沿空掘巷成功實(shí)施的關(guān)鍵因素之一。對(duì)此，學(xué)者專家進(jìn)行了大量研究，得到了許多有益的科研成果。趙云峰［6］通過對(duì)不同煤柱寬度下巷道圍巖應(yīng)力及變形情況的分析，確定了沿空掘巷護(hù)巷煤柱寬度為5 m。于嘉琦［7］基于對(duì)不同寬度煤柱內(nèi)應(yīng)力分布及位移特征的分析，確定了18501工作面沿空掘巷煤柱合理寬度為10 m，并提出了巷道補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)措施。

針對(duì)羊場(chǎng)煤礦得馬礦井20 m 寬區(qū)段煤柱回采率低的問題，以21904 運(yùn)輸巷為研究對(duì)象，采用理論分析、數(shù)值模擬和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)相結(jié)合的研究方法，確定了沿空掘巷護(hù)巷煤柱的合理寬度，并進(jìn)行了巷道支護(hù)方案設(shè)計(jì)。

1 工程概況

羊場(chǎng)煤礦得馬礦井現(xiàn)開采煤層為K9 煤層，煤層厚度為1.01～2.96 m，平均為1.43 m；煤層傾角為10°～12°，平均為11°。煤層結(jié)構(gòu)簡單，賦存穩(wěn)定，為全區(qū)可采煤層。煤層直接頂為厚3.56 m的粉砂巖，老頂為厚4.25 m 的細(xì)砂巖，直接底為厚1.42 m 的泥巖，老底為厚6.28 m的粉砂巖。受斷層和村莊影響，一采區(qū)僅有21903、21904、21905 和21906 共4 塊工作面具備開采條件，其中西翼21906 工作面已于2021 年4 月回采結(jié)束，目前正回采東翼21903 工作面，下部21905 采煤工作還未開始掘進(jìn)。21904 運(yùn)輸巷沿K9 煤層底板掘進(jìn)，設(shè)計(jì)長度為1 522.7 m，采用矩形斷面，斷面尺寸為4 500 mm×2 400 mm（寬×高）。21904 工作面與21906工作面間原設(shè)計(jì)留設(shè)20 m 寬的區(qū)段煤柱，為減少區(qū)段煤柱損失，提高煤炭回采率，決定采用留窄煤柱沿空掘巷技術(shù)施工21904運(yùn)輸巷。21904工作面具體布置情況如圖1所示。

2 沿空掘巷煤柱合理寬度理論分析

2.1 煤柱寬度下限計(jì)算

上區(qū)段工作面的回采擾動(dòng)破壞了巷道圍巖的應(yīng)力平衡狀態(tài)，上區(qū)段工作面回采結(jié)束圍巖應(yīng)力重分布后進(jìn)行沿空掘巷時(shí)，巷道圍巖受掘巷擾動(dòng)發(fā)生二次破壞，導(dǎo)致煤柱兩側(cè)均形成一定范圍的塑性區(qū)，而煤柱穩(wěn)定的最小寬度應(yīng)確保其內(nèi)部存在一定寬度的彈性核區(qū)。此外，錨桿支護(hù)作用有效控制了實(shí)體煤側(cè)的塑性區(qū)。因此煤柱穩(wěn)定的最小寬度應(yīng)為錨桿有效支護(hù)長度（x1）、采空區(qū)側(cè)塑性區(qū)寬度（x2）和彈性核區(qū)寬度（x3）三者之和［4］。煤柱彈塑性區(qū)及應(yīng)力分布如圖2所示。

由圖2可知，煤柱穩(wěn)定的最小寬度為［3，7］

式中，Bmin為煤柱最小寬度，m；x1為錨桿有效支護(hù)長度，取1.8 m；x2為采空區(qū)側(cè)煤柱塑性區(qū)寬度，m；x3為彈性核區(qū)寬度，此處取0.15（x1+x2）；m為巷道高度，取2.4 m；A為側(cè)壓系數(shù)，取0.46；θ為內(nèi)摩擦角，取42°；H為采深，取280 m；K為應(yīng)力集中系數(shù)，取0.25；Co為K9 煤黏聚力，取1.02 MPa；Cc為頂板巖層黏聚力，取4.06 MPa；γ為頂板巖層密度，取15 t/m3；Po為工作面支架阻力，取0。

將數(shù)據(jù)帶入式（1）、式（2）可得煤柱最小寬度Bmin=3.89 m。

2.2 煤柱寬度上限計(jì)算

上區(qū)段工作面回采結(jié)束采空區(qū)圍巖穩(wěn)定后，巷道頂板巖層活動(dòng)已經(jīng)結(jié)束，此時(shí)上覆巖層以斷裂線為界將壓力分為內(nèi)外2個(gè)應(yīng)力場(chǎng)，采空區(qū)側(cè)懸臂梁因自重?cái)嗔讯纬蓛?nèi)應(yīng)力場(chǎng)，外應(yīng)力場(chǎng)由整個(gè)上覆巖層形成。受采空區(qū)影響，應(yīng)力隨巖層活動(dòng)而逐漸向深部轉(zhuǎn)移，煤層被壓縮，有研究表明，內(nèi)應(yīng)力場(chǎng)的范圍S為［8］

式中，a為工作面長度，m；h為基本頂厚度，m；σt為直接頂抗拉強(qiáng)度，MPa；G為塑性區(qū)煤體剛度，N/m；y為煤體被壓縮量，m；q為基本頂上覆載荷，N/m；L為巷道設(shè)計(jì)寬度，m。

將21904 工作面相關(guān)數(shù)據(jù)帶入式（3）、式（4），可得煤柱最大寬度Bmax=8.25 m。

3 沿空掘巷窄煤柱破壞特征數(shù)值模擬分析

3.1 數(shù)值計(jì)算模型

為進(jìn)一步確定沿空掘巷護(hù)巷窄煤柱最佳留設(shè)寬度，以21904 運(yùn)輸巷為工程背景，采用FLAC3D數(shù)值模擬軟件建立數(shù)值模型（圖3），對(duì)煤柱留設(shè)寬度為3，4，5，6，7和8 m時(shí)煤柱內(nèi)垂直應(yīng)力分布及巷道變形特征進(jìn)行分析。所建數(shù)值模型尺寸為300 m×420 m×50 m（長×寬×高），采用摩爾-庫倫計(jì)算準(zhǔn)則，模型四周限制水平方向位移，模型下部限制豎直方向位移，模型上邊界施加5.2 MPa 的均布載荷等效上覆巖層壓力，側(cè)壓系數(shù)為0.46。煤層及頂?shù)装鍘r層基本物理力學(xué)參數(shù)如表1所示。

3.2 不同煤柱寬度下巷道圍巖應(yīng)力分布特征

圖4 為留設(shè)不同煤柱寬度下巷道掘進(jìn)期間煤柱內(nèi)沿水平方向垂直應(yīng)力分布圖。由圖4可知，隨著煤柱寬度的增大，煤柱內(nèi)垂直應(yīng)力逐漸由偏載型分布過渡為對(duì)稱性分布。當(dāng)煤柱寬度小于5 m 時(shí)，煤柱內(nèi)垂直應(yīng)力呈偏載型分布特征，垂直應(yīng)力峰值靠近采空區(qū)側(cè)，這是由于煤柱寬度較小時(shí)，采空區(qū)側(cè)煤柱邊緣煤體破碎，煤柱完整性較差，其承載能力較低，不足以對(duì)上覆巖層形成有效承載；當(dāng)煤柱寬度為5～8 m時(shí)，煤柱內(nèi)垂直應(yīng)力呈對(duì)稱性分布特征，垂直應(yīng)力基本出現(xiàn)在煤柱中間部位，表明此寬度范圍內(nèi)的煤柱內(nèi)部具有彈性核區(qū)，且自身完整性較高，承載能力較強(qiáng)，能夠?qū)ι细矌r層形成有效承載。

3.3 不同煤柱寬度下巷道變形特征

圖5為不同煤柱寬度下巷道表面變形量。由圖5可知，巷道底鼓量隨煤柱寬度的增大變化較小，基本維持在30 mm 左右，這是因?yàn)?1904 運(yùn)輸巷埋深較淺（280 m），上覆巖層壓力對(duì)巷道作用較小。巷道頂板下沉量隨煤柱寬度的增大呈較小趨勢(shì)，煤柱寬度由3 m 增大5 m 時(shí)，巷道頂板下沉量由178.64 mm 減小至161.23 mm，縮減幅度為10.79%；而煤柱寬度由5 m 增大至8 m 時(shí)，巷道頂板下沉量由161.23 mm 減小至148.46 mm，縮減幅度為8.60%；表明隨著煤柱寬度的增大，煤柱對(duì)上覆巖層的支撐作用增強(qiáng)。煤柱寬度小于5 m 時(shí)，煤柱邊緣破碎，承載能力較弱，上覆巖層壓力主要由巷道實(shí)體煤側(cè)圍巖承載，此時(shí)實(shí)體煤側(cè)巷幫圍巖應(yīng)力集中，實(shí)體煤側(cè)巷幫位移較大，而煤柱側(cè)巷幫位移較??；隨著煤柱寬度的增大，煤柱內(nèi)部具有彈性核區(qū)，承載能力增強(qiáng)，上覆巖層壓力由巷道實(shí)體煤側(cè)圍巖向煤柱轉(zhuǎn)移，導(dǎo)致煤柱側(cè)巷幫位移增大而實(shí)體煤側(cè)巷幫位移逐漸減小。

綜合考慮不同煤柱寬度下煤柱內(nèi)垂直應(yīng)力分布、巷道表面變形量和煤炭回采率，21904 運(yùn)輸巷在進(jìn)行沿空掘巷時(shí)護(hù)巷窄煤柱的最佳寬度為5 m。

4 沿空巷道支護(hù)方案及支護(hù)效果分析

4.1 21904運(yùn)輸巷支護(hù)方案

基于21904 工作面實(shí)際生產(chǎn)地質(zhì)條件，參考上區(qū)段21906 工作面回采巷道支護(hù)參數(shù)，在21904 運(yùn)輸巷與21906 工作面采空區(qū)間留設(shè)5 m 寬窄煤柱進(jìn)行沿空掘巷時(shí)采用“錨網(wǎng)索”聯(lián)合支護(hù)方案，具體支護(hù)參數(shù)：頂板采用?18 mm×6 300 mm×7 股高強(qiáng)度低松弛預(yù)應(yīng)力鋼絞線錨索，間排距為2 000 mm×2 000 mm，每根錨索配合使用1 支CK2360 和2 支K2360 樹脂錨固劑，錨索托盤采用厚15 mm、規(guī)格為200 mm×200 mm 的方形鐵托盤。頂板錨桿采用?22 mm×2 400 mm 螺紋鋼錨桿，間排距為800 mm×1 000 mm，每根頂板錨桿配合使用CK2360和K2360型樹脂錨固劑各1 支，采用8 mm 厚、規(guī)格為150 mm×150 mm 的預(yù)應(yīng)力鐵托盤。考慮沿空掘巷時(shí)煤柱側(cè)巷幫變形通常較實(shí)體煤側(cè)巷幫大［5-6］，對(duì)實(shí)體煤側(cè)巷幫采用?20 mm×1 800 mm 玻璃纖維錨桿，煤柱側(cè)巷幫采用?20 mm×1 800 mm 螺紋鋼錨桿，間排距均為800 mm×1 000 mm，每根幫錨桿采用1 支CK2360 樹脂錨固劑，托盤均采用8 mm 厚、規(guī)格為100 mm×100 mm 的預(yù)應(yīng)力鐵托盤。網(wǎng)片均采用菱形10#鐵絲網(wǎng)，網(wǎng)孔規(guī)格為50 mm×50 mm，頂板網(wǎng)片規(guī)格為5 000 mm×1 000 mm，巷幫網(wǎng)片規(guī)格為2 000 mm×1 000 mm（圖6）。

4.2 21904運(yùn)輸巷圍巖控制效果分析

為了評(píng)估21904運(yùn)輸巷采用留5 m寬窄煤柱沿空掘巷技術(shù)掘進(jìn)期間巷道變形情況，在21904運(yùn)輸巷內(nèi)距巷口100和150 m位置處分別布置測(cè)站，采用“十字布點(diǎn)法”對(duì)巷道表面變形情況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)結(jié)果如圖7所示。

由圖7 可知，在為期30 d 的觀測(cè)時(shí)間內(nèi)，巷道圍巖表面相對(duì)移近量隨觀測(cè)時(shí)間呈先快速增大后緩慢增長的變化趨勢(shì)，在0～8 d 內(nèi)，巷道圍巖表面相對(duì)移近量呈快速增大趨勢(shì)；在8～30 d 內(nèi)，巷道圍巖表面相對(duì)移近量呈緩慢增長趨勢(shì)。表明在0～8 d時(shí)，受巷道掘進(jìn)擾動(dòng)影響，巷道圍巖應(yīng)力釋放速度較快，圍巖發(fā)生較大變形；而在8～30 d 時(shí)，隨掘進(jìn)工作面不斷遠(yuǎn)離測(cè)站，巷道圍巖應(yīng)力釋放速度逐漸降低，新的應(yīng)力平衡狀態(tài)逐漸形成，巷道圍巖表面相對(duì)變形量增長速度逐漸降低。此外，巷道頂?shù)装搴蛢蓭拖鄬?duì)移近量最大值分別為28.34 和37.12 mm，即巷道頂?shù)装搴蛢蓭鸵平烤豢刂圃?0 mm以內(nèi)，在設(shè)計(jì)允許范圍內(nèi)，表明護(hù)巷窄煤柱留設(shè)寬度為5 m時(shí)，21904 運(yùn)輸巷采用沿空掘巷技術(shù)施工，能夠確保巷道和煤柱穩(wěn)定性。

5 結(jié)語

（1）基于羊場(chǎng)煤礦得馬礦井21904 工作面工程地質(zhì)條件，采用理論計(jì)算的方法確定了護(hù)巷窄煤柱合理寬度為3.89～8.25 m。

（2）采用FLAC3D數(shù)值模擬軟件，對(duì)煤柱留設(shè)寬度為3，4，5，6，7和8 m時(shí)煤柱內(nèi)垂直應(yīng)力分布及巷道變形特征的分析，進(jìn)一步確定了護(hù)巷窄煤柱的最佳寬度為5 m。

（3）綜合考慮21904 運(yùn)輸巷實(shí)際生產(chǎn)地質(zhì)條件、上區(qū)段21906 工作面回采巷道支護(hù)參數(shù)和沿空巷道非對(duì)稱變形特征，提出采用“錨網(wǎng)索”聯(lián)合支護(hù)方案?，F(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)結(jié)果表明，留5 m 寬煤柱對(duì)21904 運(yùn)輸巷進(jìn)行沿空掘巷期間，巷道頂?shù)装搴蛢蓭鸵平烤∮?0 mm，沿空掘巷圍巖控制效果較好。