张亚军

（晋能控股煤业公司挖金湾虎龙沟煤业有限公司，山西 怀仁 038300）

在煤矿没有沿空留巷工艺时，综采工作面的护巷煤柱留设宽度一般为20～30 m，用来改善巷道围岩应用环境以控制变型。该技术方法巷道维护效果显著，但会造成煤炭资源严重浪费。小煤柱沿空掘巷技术[1-5]具有提高煤炭回收率、缓解采掘接替紧张的优点，在厚煤层综采工作面中应用非常广泛。

1 工程概况

晋能控股煤业公司挖金湾虎龙沟煤矿位于山西省怀仁县鹅毛口镇，核定生产能力为120 万t/a，开采面积为8.921 7 km2，主要开采石炭系5#、8#煤层。81511 工作面位于东盘区1060 m 水平，主采5#煤，煤层平均厚度为12.87 m，煤层平均倾角为2°。煤层直接顶为1.8 m 的高岭石泥岩，基本顶为16.9 m 的粗砂岩，直接底为1.98 m 的砂质泥岩，基本底为4.21 m 的高岭石。工作面设计采用综采放顶煤采煤工艺，ZF13000/25/38 型综放液压支架106架，MG650/1630-WD 型双滚筒采煤机1 台，SGZ-800/800 型中双链刮板输送机1 台。

此前，5#煤工作面的护巷煤柱留设宽度为30 m，造成资源严重浪费。因此，决定在81511 工作面正巷进行小煤柱沿空掘巷的工业性试验。81511 工作面正巷巷道为矩形，巷道沿5#煤层底板掘进，尺度规格为宽度×高度=5000 mm×3600 mm。

2 小煤柱留设宽度的确定

2.1 理论计算

护巷煤柱的宽度过大，会造成煤炭资源浪费，宽度过窄会造成应力集中，无法控制沿空巷道围岩。因此，必须设定合理的煤柱留设宽度。采用极限平衡理论可建立力学模型，如图1。

图1 最小护巷煤柱留设宽度计算模型图

从图中可知，81511 工作面正巷最小护巷煤柱留设宽度X的计算公式为：

X=x1+x2+x3

式中：X为最小护巷煤柱留设宽度，m；x1为上区段工作面开采中产生的塑性破坏区宽度，取2.05 m；x2为本巷道工作面开采产生的塑性破坏区宽度，取4.76 m；x3为安全宽度，一般x3=（0.15～0.45）（x1+x2）m。

经计算，81511 工作面正巷最小护巷煤柱留设宽度X为7.83～9.87 m。

2.2 数值模拟

基于小煤柱最小护巷煤柱留设宽度X的理论计算结果，分别选取7 m、8 m、9 m、10 m 煤柱方案，应用FLAC3D数值模拟软件对不同煤柱宽度下巷道围岩应力分布、塑性区分布进行数值模拟。

从数值模拟结果可知，当煤柱宽度从7 m 增加到10 m 的过程中，煤柱垂直应力峰值呈现为线性增长关系，但增长变化趋势较缓。当7 m 煤柱时，垂直应力峰值最小，为17.55 MPa，小于原岩应力；当8 m 煤柱时，垂直应力峰值为18.51 MPa，此时与原岩应力相等。

当煤柱为7 m 时，煤柱内部完全破坏，由于煤层倾角的作用明显，巷道煤柱侧帮侧压较大，巷道底板大面积破坏；当煤柱为8 m 时，煤柱中部未破坏区域范围扩大，围岩完整区域扩大，煤柱稳定性好；当煤柱为9 m 时，煤柱中部未破坏区域范围进一步扩大，围岩完整区域进一步扩大，煤柱稳定性非常好；当煤柱为10 m 时，煤柱完整区域与巷道顶板围岩区域连通，形成了一个整体，煤柱稳定性理想。

综合煤柱垂直应力峰值和塑性区分布情况，81511 工作面沿空掘巷小煤柱最小护巷煤柱合理宽度为8 m，此时煤柱具有较好的承载能力，又可以不造成煤炭资源浪费。

3 巷道变形特征及控制机理分析

3.1 变形特征

巷道围岩是由顶板、两帮和底板组成的复合结构体，小煤柱巷道的失稳是其顶板、底板、回采帮和小煤柱帮变形到一定程度发生失稳。在岩体内开掘巷道后，其原有的应力场会重新分布，因此，巷道受到上工作面回采时超前支承压力及侧向支承压力的影响发生形变；顶板岩层的塑性变形和上覆岩层离层位移的变化造成顶板下沉；巷道两帮在进入塑性状态后发生的失稳破坏现象加剧了顶板下沉量。煤岩体进入塑性状态后将丧失承载能力，支撑顶板的能力降低，顶板离层、下沉速度变大，加剧两帮的破坏，进而形成了“顶下沉-帮外鼓-顶下沉”的变形特征循环。

3.2 控制对策

从巷道变形特征可知，对于厚煤层巷道支护问题，应该从顶帮两方面加强支护，其巷道变形控制对策为：

（1）采用高强锚杆支护系统对厚煤层沿空掘巷进行支护。高强度锚杆的应用，能减少顶板煤体裂隙的产生，抑制顶板的弯曲，减少塑性区的发展，进而有效维护巷道顶板的安全稳定。

（2）提高锚索性能。调整常规D17.8 mm 的7丝钢绞线为新型1×19 结构D21.6 mm 钢绞线，锚索的破断载荷提高到510 kN，延伸率提高到7%，在破碎顶板巷道的支护效果较为理想。

3.3 控制技术

根据厚煤层巷道的变形特征及控制机理分析，提出了顶板、巷帮双桁架支护技术，如图2。

图2 顶帮双桁架支护原理

采用连接器将两根顶锚索连接在一起，从而形成桁架，锚索与顶板之间形成了线接触，载荷能在二者之间形成连续传递，进而提高煤岩体的抗变形能力。桁架锚索“凹槽形”结构，锚固区更大范围煤岩体处于压应力状态，承载能力提高，形成强大的闭锁结构，可以有效控制顶板剪切破坏与变形。

巷道两帮锚索与槽钢连接形成了帮锚索-槽钢桁架，两帮与槽钢为面接触形式，锚索施加较大预紧力可阻止煤帮的碎胀变形，利用锚索将煤帮浅表应力集中部位向深部转移，从而可以有效地实现对煤帮变形的控制。

4 工业性试验

4.1 支护设计

基于理论计算和FLAC3D数值模拟结果，确定了81511 沿空掘巷小煤柱护巷煤柱宽度为8 m。81511 正巷的支护方案与支护参数如图3。

图3 虎龙沟煤矿81511 工作面正巷支护方案（mm）

4.1.1 顶板支护

（1）锚杆支护。顶锚杆为Ф22 mm×2400 mm 型左旋无纵筋的高强螺纹钢锚杆，钢材牌号BHRB500，破断载荷210.5 MPa，屈服强度500 MPa，2 节CK2360 型树脂药卷加长锚固，锚杆间排900 mm，锚杆排距900 mm，每排布置5 根，采用W 钢带连接，规格为：长×宽×厚=4800 mm×100 mm×5 mm。

（2）锚索支护。顶锚索采用桁架锚索与单体锚索联合支护，“三·三”交替布置。锚索桁架Ф21.6 mm×9400 mm，1×19 股高强度延伸率预应力丝钢绞线制作，钻孔深度8000 mm，采用3 节CK2360和2 节Z2360 树脂药卷加长锚固。桁架锚索底板跨距2000 mm，两根锚索向巷道两帮倾斜15°。

4.1.2 巷帮支护

（1）锚杆支护。帮锚杆为Ф22 mm×2400 mm 型左旋无纵筋的高强螺纹钢锚杆，采用1 节CK2360 和1 节CK2335 树脂药卷加长锚固，锚杆间排800 mm，锚杆排距900 mm。煤帮布置5 根，采用梯子梁连接，梯子梁采用2 根Ф16 mm、2500 mm 的长钢筋棍加工，中间间隔350 mm 使用钢筋棍加工成横梁，两端使用100 mm 的钢筋棍封闭。

（2）锚索支护。回采帮锚索为单体锚索，锚索为Ф17.8 mm×4300 mm，钻孔深度为4000 mm，采用3 节CK2360 树脂药卷加长锚固，锚索排距为1800 mm。煤柱帮布置2 根，上位锚索距顶1000 mm，锚索间距为1500 mm，2 根之间采用16 号槽钢进行连接，排距1800 mm。

4.2 应用效果

采用“十字布点法”在81511 正巷布置表面位移测站，测站间距50 m，数据读取和记录为2 d/次，监测时间为40 d。3 号测站观测结果如图4。

图4 巷道围岩表面位移观测结果

由图中可知，在巷道掘进的前27 d 时间内，巷道表面位移量增长较快，顶板下沉值增大至38 mm，两帮收敛值增大至21 mm。在22～40 d 时，巷道围岩变形已能基本趋于稳定，顶板下沉最大值为44.3 mm，两帮收敛最大值为22.8 mm。

5 结论

基于理论计算和数值模拟结果确定了81511 厚煤层工作面小煤柱的合理宽度为8 m，提出了沿空掘巷桁架锚索支护方案，巷道围岩变形在允许范围内，能够有效地保障81511 工作面的开采安全。