8106 风巷沿空掘巷煤柱宽度设计及围岩控制技术研究

孙满义

（淮北矿业（集团）有限责任公司朱仙庄煤矿，安徽 宿州 234111）

1 工程概况

淮北矿业集团公司朱仙庄煤矿8106 工作面位于十采区北翼五区段，工作面南距F11 断层20 m左右，北距810 回风上山下段4 m 左右，上邻8105工作面采空区，下以F24 断层为界与十二采区（未开拓）相邻。工作面开采8#煤层，煤层平均厚度12.0 m，平均倾角15°。煤层顶底板岩层特征见表1。

表1 煤层顶底板岩层特征表

8106 风巷设计断面为三心拱形，巷道沿8#煤层底板掘进，净宽×净高=4800 mm×3500 mm。8106 风巷掘进期间，邻近8105 工作面已回采完毕，属于沿空掘进。由于8#煤层属松软煤层，8106 风巷掘进期间为确定合理的护巷煤柱宽度及巷道合理的支护方案，特进行沿空掘巷煤柱宽度和围岩控制技术的研究分析。

2 沿空掘巷合理煤柱宽度分析

为确定8106 风巷沿空掘进期间合理的煤柱宽度，考虑到采用理论分析时，众多参数的选取与确定会存在一定偏差，会导致计算结果存在着较大误差，现为保障煤柱宽度分析结果的准确性，采用FLAC3D数值模拟软件进行沿空掘巷期间合理煤柱宽度的分析[1-3]。根据8106 风巷的地质条件，建立长×宽×高=90 m×140 m×37.5 m 的数值模型，数值模型侧边固定两侧位移，顶部施加等效覆岩荷载，模型底部作固定处理，模型侧压系数取为1.2。具体的数值模拟模型如图1。

图1 数值模拟模型图

根据8106 风巷的地质条件，在充分考虑围岩稳定及经济性的条件下，本次主要对比分析煤柱宽度为3 m、4 m、5 m、8 m、10 m 和12 m 时的围岩变形特征，主要根据数值模拟结果分析不同煤柱宽度下煤柱水平位移、窄煤柱变形规律及围岩表面位移规律，具体分析如下：

2.1 煤柱水平位置

根据数值模拟结果能够得出8106 风巷在不同护巷煤柱宽度下掘进时煤柱的水平云图。由于模拟对比方案较多，故采用曲线图的方式进行分析。具体不同煤柱宽度下水平位移曲线如图2。

图2 不同煤柱宽度下水平位移曲线图

分析图2 可知，当8106 风巷沿空掘进期间，煤柱宽度为3 m 时，煤柱水平位移相对不大，但此时煤柱全部处于塑性区域，无法保障煤柱几何形状的稳定性。当煤柱宽度增大为4 m 时，煤柱的水平位移最大值进一步增大。且在煤柱宽3 m 或4 m 时，在煤柱中部的水平位移较为显著，这即表明煤柱整体处于非稳定状态。当煤柱宽度为5 m 时，护巷煤柱中部水平位移量很小，基本无变化，这即表明煤柱大部分处于稳定状态。当煤柱宽度大于5 m 后，煤柱中部仍呈现为稳定状态，但煤柱的水平位移量相较于煤柱为5 m 时出现一定程度的增大。另外从图中能够看出，当煤柱宽度大于8 m 时，随着煤柱宽度的增大，煤柱向采空侧的位移量呈现出逐渐增大的趋势。这是由于煤柱宽度较大，煤柱处于侧向支撑压力峰值影响区域内。

2.2 围岩变形量

不同煤柱宽度下巷道围岩变形曲线如图3。

图3 不同煤柱宽度下围岩变形曲线图

分析图3 可知：

（1）窄煤柱宽度对巷道顶板下沉量影响程度较高。随着煤柱宽度增大，顶板下沉量呈现出先降低后升高的趋势。当煤柱宽度由3 m 增至5 m 时，巷道顶板下沉量由127.4 mm 逐渐减小至89.7 mm，减小幅度42.3%；而当煤柱宽度大于8 m 后，随着煤柱宽度的增大，顶板下沉量呈现出一定的上升趋势；当煤柱宽度大于10 m 后，随着煤柱宽度的进一步增大，顶板下沉量基本不再变化。巷道底鼓方面，当煤柱宽度大于5 m 后，巷道的底鼓量基本达到稳定状态。

（2）窄煤柱帮变形方面。随着煤柱宽度的增大，窄煤柱的变形呈现为急剧增大—迅速减小—缓慢增长—趋于稳定。窄煤柱变形量最大值在煤柱宽度为4 m 时取得，窄煤柱在该宽度下变形量大的主要原因为煤柱处于应力增高区，此时煤柱在应力作用下处于不稳定状态，易出现大范围的片帮现象。煤柱宽度为5～8 m 和宽度大于8 m 时窄煤柱帮的变形量基本相同。

（3）实体煤帮变形方面。实体煤帮的变形量受煤柱宽度变化影响较小，可认为在现有模拟方案下实体煤帮基本均处于相对稳定状态。

综合上述分析可知，结合矿井生产经验及众多理论研究结果[4-6]，确定8106 风巷的合理煤柱宽度为5 m。

3 围岩控制技术

3.1 支护方案

根据8106 风巷的地质条件，结合巷道在5 m煤柱宽度下沿空掘巷期间围岩变形特征，确定巷道支护方案为：U 型棚+锁梁锚索、锁腿锚杆+注浆锚杆、锚索支护。具体支护方案如下：

（1）U 型棚支护。U 型棚采用U29 可缩性三心拱棚，棚距550 mm（中-中），U 型棚搭接长度400 mm，每处搭接用两副限位卡缆和一副中部限位卡缆卡紧，卡缆螺母扭矩不小于300 N·m，壁后采用金属网、双抗网配合铁背板全断面腰背，铁背板间距300 mm。金属网为10#铁丝编织，金属网搭接

100 mm。

（2）锁梁锚索、锁腿锚杆。帮部采用两道锁腿梁补强支护，距底板以上700 mm、1500 mm 位置各一道；锚杆采用GM22/2600-490 高强螺纹锚杆，间排距550 mm×1000 mm。顶部采用两道锚索补强支护，巷道采用注浆锚索，锚索型号Φ22 m×9.5 m，间排距3600 mm×1000 mm；注浆锚索采用规格为Φ25 mm×9300 mm 中空注浆锚，排距1100 mm，注浆材料为水泥浆，水灰比为0.6。

（3）注浆锚杆。巷道沿空侧采用喷浆+注浆管理。注浆锚杆采用2500 mm 自转式注浆锚杆，注浆锚杆间排距1500 mm×1500 mm，喷厚不小于100 mm。注浆材料同顶板注浆锚索。

具体巷道支护断面如图4。

图4 8106 风巷支护方式断面图

3.2 效果分析

8106 风巷沿空掘巷期间，在巷道掘进迎头采用十字布点法进行围岩变形量监测分析，根据观测数据绘制得出围岩变形曲线如图5。

分析图5 可知，8106 风巷沿空掘巷期间，巷道顶底板及两帮变形量主要出现在巷道掘出后0～15 d内；当巷道掘出时间大于15 d 后，围岩变形速率大幅降低，围岩变形量逐渐趋于稳定；当巷道掘出的30 d 后，顶底板及两帮移近量基本不再发生变化。最终顶底板及两帮变形量的最大值分别为121 mm和179 mm。综合上述分析可知，8106 风巷在5 m护巷煤柱和现有支护方案下，掘巷期间围岩处于稳定状态，满足回采巷道的使用要求。

图5 沿空掘巷期间围岩变形曲线图

4 结论

根据8106 风巷的地质及赋存特征，通过数值模拟软件进行沿空掘巷期间合理护巷煤柱宽度的分析，确定8106 风巷沿空掘巷期间的合理煤柱宽度为5 m。基于数值模拟结果，设计巷道采用U 型棚+锁梁锚索、锁腿锚杆+注浆锚杆、锚索的支护方案。根据巷道掘进期间的围岩变形监测数据可知，沿空掘巷期间围岩处于稳定状态，满足回采巷道使用要求。