左文强，郭光裕

（1.陕西延长石油榆林可可盖煤业有限公司，陕西榆林 719000；2.陕西延长石油巴拉素煤业有限公司，陕西榆林 719000）

矿井护巷煤柱的留设是巷道围岩控制的重要组成部分，煤柱尺寸留设不合理易造成资源浪费更会致使煤岩体应力高度集中而引发矿井灾害[1-3]。

为缩短局部通风距离，利于瓦斯管理和安全保障，许多大采高一次采全高综采矿井采用双巷掘进[4-8]，然而针对二次采动影响下大采高综采面双巷掘进巷间保护煤柱尺寸的合理留设研究较少。

鉴于此，本文以小保当矿一号井112201 综采工作面双巷间护巷煤柱尺寸的合理留设为工程背景，通过理论分析对大采高综采工作面双巷巷间煤柱尺寸进行初步计算确定，并采用数值模拟软件分析单、双侧采动影响下不同煤柱尺寸工作面前方垂直应力演化特征，最终得到煤柱的合理留设尺寸，并基于非对称支护原理提出了锚网索多方式联合支护方案，研究成果可为类似条件矿井工作面区段煤柱留设及巷道围岩控制提供参考。

1 工程地质条件

小保当矿一号井位于陕西省神木市，设计生产能力1500×104t/a，112201 综采工作面位于2-2煤11 盘区，设计走向长度4800m，倾向长度350m，煤层埋深353～440m，厚度4.2～7m，均厚5.8m，平均倾角1°。112201综采工作面直接顶为2.67～3.37m的细粒砂岩，老顶为14.23～35.29m 的中粒砂岩，直接底为2.05～2.67m 的砂质泥岩及粉砂岩，老底为2.9～9.55m 的砂质泥岩。112201 工作面顺槽采用“两进一回”布置，112201 工作面辅助运输顺槽待112201 工作面回采结束后在112202工作面作为回风顺槽继续复用。工作面布置如图1所示。

2 理论分析

2.1 受力状态分析

双巷掘进期间，在单侧工作面采空区条件下，巷间保护煤柱的破裂区位于采空区边缘，煤柱内应力在破裂区增长迅速并形成高应力集中，增长至塑性区后达到最大值，此时煤柱内应力与其承载能力达到弹塑性平衡状态，之后煤柱内应力逐渐减小并最终趋于平缓，在原岩应力区煤柱恢复弹性平衡状态。双侧工作面采空状态下，煤柱内应力以弹性核区为基准对称分布，表现为“双峰”状态，与单工作面采空状态相比，双侧工作面采空时破裂区内煤柱破坏更严重，煤柱强度降低，抵抗破坏的能力大大减弱[9]。煤柱内应力在塑性区表现出最大值，随后其在弹性核区内减小，此时煤柱形态较完整，抵抗破坏的能力较强。

2.2 煤柱宽度计算

按照煤巷两帮煤体应力和极限平衡理论，合理的最小护巷煤柱宽度是[10]：

式中：L——煤柱宽度，m；

L1——煤柱在采空区一侧的塑性区宽度，m；

L2——核区宽度，m；

L3——煤柱在巷道一侧的塑性区宽度，m。

综采工作面在采空区一侧的塑性区宽度为：

式中：m——煤柱高度；

d——开采扰动因子；

C——粘聚力；

σx——煤壁的侧向约束应力；

θ——内摩擦角；

σ1——煤柱极限强度；

β——塑性区与核区界面处的侧压系数。

按巷道高度计算得巷间煤柱宽度为17.63m，按采高计算得巷间煤柱宽度为25.47m，因此，理论计算得煤柱范围为17.63～25.47m。

3 数值模拟

3.1 数值模型建立

参考小保当煤矿2-2煤层地质资料，建立FLAC3D数值模型，模型尺寸（长×宽×高）175m×70m×60m，模型固定底部边界，顶部边界自由。为进一步确定巷间保护煤柱的合理尺寸，建立15m、20m和25m三种不同煤柱尺寸的数值模型进行模拟计算。工作面两条顺槽开挖至平衡后，112201 工作面开挖完成并沿工作面中心线监测煤柱及实体煤内的应力，随后112202 工作面开挖35m且也沿工作面中心线监测煤柱及实体煤内的应力。

3.2 模拟结果

单侧采动影响下，112201 工作面开挖后工作面前方垂直应力演化云图如图2 所示。由演化云图可以看出，工作面开挖后采空区范围内顶底板岩层呈现明显卸压状态，煤柱内则出现应力集中现象。由应力演化曲线可以看出，沿工作面倾向，在远离工作面的位置，应力大小虽有轻微波动但随着靠近工作面呈逐渐减小的趋势，尤其在112201 工作面辅助顺槽附近因开挖卸压而应力减小剧烈，煤柱内则因为应力集中而使得应力大于原岩应力。不同护巷煤柱尺寸下，煤柱内应力集中情况也不尽相同，15m、20m 和25m 护巷煤柱尺寸下煤柱内的应力峰值分别为39.5MPa、36.3MPa 和35.9MPa，20m和25m煤柱尺寸时两者应力峰值相差较小。

双侧二次采动影响下，112202 工作面开挖后工作面前方垂直应力演化云图如图3所示。由图可以看出，双侧采动影响下沿工作面倾向应力演化趋势与单侧采动时基本一致，但由于超前支承压力的作用，112202工作面前方应力略大于单侧采动。此外，煤柱内应力大小也略大于单侧单侧采动时煤柱内的应力，15m、20m和25m 护巷煤柱尺寸下煤柱内的应力峰值分别为40.6MPa、37.2MPa 和36.9MPa，15m 煤柱时其内部应力仍大于20m和25m煤柱尺寸其内部的应力。

数值模拟结果表明，单侧采动及双侧二次采动总体对煤柱内部应力大小影响不大，但煤柱尺寸对采动影响下大采高综采面的煤柱内应力影响较大，总体呈现随煤柱尺寸增大其内部应力减小的趋势。然而，当煤柱尺寸增加到20m后再增加煤柱尺寸其内部应力不再发生显著变化，结合前文理论计算结果，确定小保当一号井112201 工作面双巷巷间的护巷煤柱尺寸为20m。

4 围岩控制技术及现场应用情况

4.1 围岩稳定性控制技术方案

结合相邻工作面回采巷道的变形破坏特征及支护方案，基于非对称支护原理及施工现场的实际情况，提出了112201 工作面辅助运输顺槽支护方案，具体支护参数如图4所示。

顶板支护锚杆采用∅20mm×2400mm 左旋无纵筋螺纹钢锚杆，间排距为800mm×800mm，托板采用Q235钢，规格∅170mm×10mm，锚杆锚固力不小于200kN，扭矩力不小于200N·m；锚索采用∅17.8mm×6300mm的钢绞线，每排2根锚索，间排距为2400mm×3000mm，托板为300mm×300mm×16mm 预应力钢托板，锚固力不低于200kN。

开采帮支护采用∅22mm×2400mm 玻璃钢锚杆，间排距为900mm×1000mm，托板采用树脂托盘+松木托盘（400mm×200mm×50mm），锚固力不小于120kN，扭矩不小于80N·m；非开采帮支护采用∅20mm×2400mm 左旋无纵筋螺纹钢锚杆，间排距为900mm×1000mm，托板采用Q235 钢，规格∅170mm×10mm，锚固力不小于200kN，扭矩力不小于200N·m。

当巷道受二次采动影响水平应力增大时，及时补打∅17.8mm×5300mm帮部短锚索。

4.2 应用效果

为验证煤柱留设宽度与支护参数选择的合理性，在112201 工作面辅助运输顺槽进行现场监测，监测内容包括巷道表面位移变形情况、顶板覆岩稳定及完整情况。

在112201工作面辅助运输顺槽中心位置布置测站进行巷道表面位移观测，观测时间持续90d。如图5所示，在设计20m护巷煤柱尺寸下，巷道表面位移变形量较小，0～40d观测期内，巷道表面位移近似线性缓慢增长，此后逐步趋于稳定。顶板下沉量、底鼓量及巷道两帮移近量最大分别为47.7mm、40.5mm、55.3mm，三者均在巷道围岩变形可控范围内，表明设计20m 护巷煤柱尺寸能有效保证巷道稳定。

在112201工作面辅助运输顺槽中心位置沿顶板进行钻孔窥视，钻孔深8m，观测发现孔口位置岩石破碎严重，这是由于初始位置钻头破坏所致。随着钻孔深度增加，钻孔孔壁光滑完整，虽交叉分布有少量环向和纵向裂隙，但无明显岩石破碎，说明巷道顶板岩石完整且稳定性好，设计煤柱尺寸能充分保证巷道围岩稳定。

5 结论

（1）理论分析可知，单、双侧采动影响下巷间煤柱受力状态不同，双侧采动时其强度较低、抵抗破坏的能力较差，理论计算得采动影响下大采高综采面双巷掘进巷间煤柱的尺寸范围是17.63～25.47m。

（2）数值模拟结果表明单、双侧采动对煤柱稳定整体影响较小，煤柱尺寸对其内部应力影响明显，煤柱尺寸为20m、25m时其内部应力相差不大，兼顾经济安全效益选择20m作为最终煤柱尺寸。

（3）现场监测结果表明，设计20m 煤柱尺寸下，巷道表面位移较小、顶板覆岩完整且稳定性好，说明研究结果能充分满足现场安全生产需要。