庞庞塔矿留小煤柱沿空掘巷技术研究与应用

闫 剑

（霍州煤电集团吕临能化有限公司庞庞塔煤矿，山西 临县 033200）

1 工程概况

庞庞塔煤矿现阶段主采的9#煤层赋存于太原组中下部，上距5 号煤层40.90～56.15m，平均50.63m，煤厚3.60～13.30m，平均11.8m，属特厚煤层。倾角3～19°，平均15°。煤层结构复杂，一般含夹矸1～4 层，夹矸厚度0.10～0.38m，夹矸多为炭质泥岩。9-303 工作面位于南三盘区中西部，南部与正在回采的9-301 工作面相邻，北侧为9-101 工作面采空区，西部为三盘区边界保护煤柱，东部为三条大巷，见图1。9-303 工作面顶底板岩层参数如表1 所示。9#煤层回采工作面间区段煤柱宽度通常为25～30m，形成大量的煤炭资源遗留在采空区无法回收。本文以9-303 工作面的运输巷为背景，对护巷煤柱的合理宽度进行研究分析，提高资源的利用率。

图1 9-303 工作面采掘布置图

表1 9#煤顶底板岩性特征表

2 煤柱宽度理论分析及计算

参考已有的相关研究成果，区段煤柱的留设宽度对回采巷道的围岩稳定性具有重大的影响[1-2]。在工作面开采引起的动压及超前支承压力影响下，区段煤柱内的损伤破坏不断累加。若煤柱宽度过小将导致煤柱丧失其原有的支承能力，巷道煤壁帮的锚杆将失效，最终导致回采巷道出现破坏失稳。因此，区段煤柱的宽度应大于极限平衡条件下的区段煤柱宽度，其合理宽度的计算模型如图2 所示。依据极限平衡理论，煤柱宽度应满足：

式中：

B-护巷煤柱极限宽度，m；

x1-临近采空区侧煤柱内塑性破坏的深度，m；

x2-煤柱侧锚杆长度，m；

x3- 煤柱内部的弹性核区，按照经验取（0.15～0.35）（xl+x2）；

式（1）中的x1计算公式如下[3-4]：

将以上参数代入式（2）计算可得x1=4.12m，9-303运输巷内锚杆长度为1.8m，则煤柱内弹性核区宽度x3=（0.15～0.35）（xl+x2）=（0.15 ～0.35）×（4.12+1.8）=0.89～2.07m。根据9-303 工作面具体的地质条件，综合考虑经济、安全等多方面因素，设计煤柱中部弹性核区宽度为2.0m，代入式（1）计算可得，护巷小煤柱的极限宽度为7.92m，建议9-303 运输巷护巷煤柱宽度为8.0m。

图2 护巷煤柱极限宽度计算模型

3 区段煤柱宽度的数值模拟分析

为确定9-303 运输巷掘进护巷煤柱的宽度，以前面的理论计算结果为基础，采用FLAC3D数值模拟软件进行分析。9#煤层埋深约210m，9-303 运输巷矩形断面宽×高=4500×3500mm，建立模型的尺寸（长×宽×高）为500×260×90m，煤层及顶底板选用Mohr-Coulomb 理想弹塑性模型，模型各个岩层的相关物理力学参数如表2 所示。模型边界条件：模型前后左右边界水平位移受到约束，底面边界为固定边界，上部为自由边界，未模拟岩层按等效载荷代替。模拟过程：临近工作面回采，9-303运输巷开挖，9-303 工作面回采。

表2 岩石力学性质参数

3.1 临近工作面回采

临近工作面回采后，端头部垂直应力分布如图3（a）所示。从煤壁侧向煤层深部应力呈增大—减小—稳定的趋势。为了更直观地表现煤体应力分布特征，合理确定煤柱留设宽度，得到煤体应力分布曲线如图3（b）所示。在距端头煤壁9m 之内为应力降低区，距离端头煤壁10～15m 为应力集中区，应力核区内垂直应力最高达19.7MPa，在距煤壁13m 处应力达到峰值，应力集中系数2.5。以往留小煤柱沿空掘巷成功应用的实例表明，将巷道布置在应力降低区内，将更加有利于巷道围岩的稳定。结合前文理论计算的结果，提出了以下煤柱宽度方案：6m、7m、8m、9m。

图3 上区段工作面回采模拟结果

3.2 二次回采

不同煤柱宽度条件下进行9-303 运输巷的开挖和回采，在二次采动影响下四种宽度的煤柱均处于压酥卸压状态。对比分析煤柱内应力分布发现，煤柱宽度为9m 时，中部存在宽度1.5～2m 弹性核区，有利于保持煤柱的稳定性。煤柱下部底板中垂直应力的变化规律如图4 所示。煤柱宽度由6m 增大至9m，底板受到煤柱传递的垂直应力由2.6MPA 增大至3.5MPa。随着煤柱宽度的增大，其支承能力逐渐增强。煤柱宽度为6m 时，应力变化曲线呈单峰状态；煤柱宽度为7～9m，应力变化呈“W”型；煤柱宽度9m 时，应力传播曲线呈平底状，说明煤柱整体承载性较好。综合考虑煤柱的受力状态及上文理论计算的结果，同时考虑到9#煤层煤质较软、小煤柱易片帮等问题，最终设计9-303 运输巷护巷煤柱为9m。

图4 不同煤柱条件下围岩应力分布图

4 9-303 运输巷支护方案

9-303 运输巷掘进断面为矩形，巷道尺寸宽×高=4.5×3.5m，采用“锚杆+钢带+锚索”联合支护。支护参数如下：顶板采用Ф20×1800mm的无纵肋螺纹钢锚杆，并配套碟形铁托盘，采用MSCKb2360 和MSK2380 树脂药卷各一支锚固，锚杆间排距1200mm×1000mm，顶板锚杆采用“四四”布置；煤柱帮锚杆采用Ф20×1800mm 的螺纹钢锚杆，回采帮采用同型号的玻璃钢锚杆，采用五花形布置，每排三根时最上部的锚杆距顶板为600mm，间排距为1000×1000mm，帮锚杆采用一支MSCKb2360 树脂药卷进行端头锚固。顶板锚索采用Ф21.6mm、长为6.2m 的钢绞线，采用“二二”布置，锚索间排距为2000×3000mm。锚杆间联结钢带长3900mm，滚帮大时巷道两帮挂设2300×4000m 的铁丝网。9-303 运输巷支护断面如图5 所示。

图5 9-303 运输巷支护断面

5 应用效果

9-303 运输巷掘巷与9-101 工作面间煤柱宽度为9m，为考察煤柱留设宽度的合理性，在9-303 工作面回采期间，超前工作面10m 的运输巷煤壁侧进行钻孔窥视。在孔深为0～1.2m 范围内，煤体破碎严重；孔深为1.2～3.5m 范围内，煤体内部环向裂隙较为发育，煤体已相当完整，裂隙发育程度逐渐降低；孔深为3.5～6.0m 范围内，煤体内部整体较为完整，孔壁较为光滑。综上可以看出，二次采动影响下煤柱内仍存在一定宽度的弹性核区，煤柱的稳定性和支承能力良好，且9-303 运输巷围岩位移量控制在合理的范围内，小煤柱护巷技术在9-303 工作面应用取得了良好的效果。