孤岛工作面护巷煤柱宽度及支护技术研究

李潞斌，何 杰

(1.山西潞安矿业集团 潞宁煤业有限责任公司，山西 宁武 036700;2.天地科技股份有限公司开采设计事业部，北京 100013)

潞宁煤业主采煤层顶板属于坚硬顶板，浅部巷道维护容易。随着开采深度的增加，采空区范围的扩大及采掘衔接紧张造成的强烈动压巷道的出现，巷道维护困难，尤其是孤岛工作面沿空掘巷，煤柱宽度和支护技术成为影响巷道控制的关键因素，国内外对此有不少研究［1－3］。

本文针对22109 运输巷围岩环境，对该条件下护巷煤柱及支护方式做进一步研究，探寻较合适的围岩控制技术。

1 工程概况

22109 运输巷埋深约260m，沿2 号煤底板掘进，长1300m，宽4.5m，高3.4m;22109 工作面上邻22107 采空区(2008年4 月回采完毕)，下邻22111 采空区(2010年8 月回采完毕)，22109 工作面属于孤岛工作面，受两侧未稳定采空区动压影响，22109 运输巷于2011年6 月开始掘进。矿方提供地质资料显示，2 号煤平均厚4.9m，倾角平均13°。井下地应力测量结果显示，最大水平主应力为14MPa，方向为N3.9 °W;最小水平主应力为8.74MPa;垂直主应力为9.45MPa。22109 运输巷顶底板围岩状况如图1。

图1 22109 运输巷顶底板围岩状况

2 煤柱尺寸的确定

沿空掘巷采用锚杆支护，确定合理的小煤柱宽度应遵循以下几个原则:锚杆可施工原则;处于应力降低区原则;保证锚杆锚固效果原则;预留巷道变形原则;提高煤炭采出率原则。

2.1 理论计算

沿空掘巷条件下煤柱尺寸对巷道支护效果有很大影响，合理的煤柱宽度既能保持巷道稳定，又能减少区段煤柱损失。依据煤巷两帮煤体应力和极限平衡理论［4］，计算出合理的最小护巷煤柱宽度B:

依据矿方提供的资料，式中，22111 回风巷高m 为3.6m;泊松比取0.3;A 为侧压系数，取0.43;φ0为煤体内摩擦角，30°;C0为煤体黏聚力，0.8MPa;H 为巷道埋藏平均深度，260m;γ为岩层平均体积力，2.5g/cm3;P0为22111 回风巷下帮支护阻力，0.124MPa;L 为锚杆锚入煤柱的深度，2.4m;k 为应力集中系数，取2.5;最终可得小煤柱宽度为6.38～7.48m。

2.2 数值模拟分析

为了全面、系统地了解不同尺寸煤柱的变形特征，采用大型有限差分数值计算软件FLAC3.3(三维)进行了模拟。依据22109 运输巷实际工程地质状况进行建模，分别模拟保护煤柱宽度为5m，10m，15m，20m 和25m，相邻22111 工作面回采完毕后开挖22109 运输巷围岩应力分布和变形情况。其中巷道采用普通锚网支护，锚杆直径为20mm，钢号335 号，采用直径14mm 钢筋托梁和金属网护表，锚索材料为直径18.9mm，长6300mm，延伸率4%。顶和帮锚杆间距1000mm 和900mm，排距为1000mm，每两排锚杆打2 根锚索。

由于篇幅所限，此处只列举煤柱10m 下开挖稳定后巷道围岩应力和变形状况，应力和位移分布状况如图2 所示，不同煤柱尺寸下围岩应力和位移变化如图3 和图4 所示。

22111 工作面回采后，应力集中在煤柱内3～8m 的范围内，由图2 至图4 可知，煤柱宽度为5m时，围岩应力集中明显，巷道位移量大，塑性区分布广，随着煤柱宽度的不断增加，围岩应力、位移在减小，当煤柱宽度增加到10m 时，围岩应力和变形增幅不大，表明煤柱宽度大于10m 后应力和位移量相差甚小，采空区对22109 运输巷影响很小。根据数值模拟结果分析，结合理论计算结果，考虑到22109 运输巷靠煤柱侧硐室的影响，确定护巷煤柱宽度为10m 较合理。

图2 煤柱尺寸为10m 条件下围岩应力和位移状况

图3 不同煤柱尺寸下围岩应力变化曲线

图4 不同煤柱尺寸下围岩位移变化曲线

3 支护对策分析

依据不同煤柱尺寸下围岩应力和位移分析结果，基于高应力强力支护技术［5－7］，结合该类巷道支护实践经验，分析该类条件下巷道支护对策。

(1) 重视孤岛工作面动压影响 孤岛工作面受两侧采空区的强烈动压影响围岩应力集中明显，易造成围岩大变形［8－9］，为避免巷道破坏重修，首先要提高支护强度，将锚杆直径由20mm 增加到22mm，锚索直径由15.24mm 增加到18.9mm。

(2) 提高支护系统预应力 较高锚杆(索)预紧力是控制围岩变形关键，该矿煤岩体强度高，锚杆(索)施加预紧力低，将锚杆预紧力矩由200N·m 提高到300N·m，锚索预紧力由150kN提高到250kN。

(3) 不对称支护 由图2 和图3 可知，巷道采空侧帮应力集中程度和变形量远大于实体煤侧，采空侧帮围岩破碎，支护难度大，为支护的关键部位，增加护表措施。

4 支护方案

针对22109 运输巷围岩环境，依据支护对策分析，结合高预应力支护技术，提出采用加长锚固高预应力锚杆锚索支护系统，并确定了支护参数。

锚杆杆体直径为φ22mm 左旋无纵筋螺纹钢筋，钢号335 号，长2400mm，钢筋托梁直径14mm，宽80mm，顶板和煤柱侧帮长为4200mm 和2900mm;采用机制金属网护顶，网孔规格50mm×50mm，顶网4900mm×1100mm，帮网5000mm×1100mm;锚索为直径18.9mm，长6300mm，延伸率4%。顶和帮锚杆间排距为1000mm×1000mm 和900mm×1000mm，每两排锚杆打2 根锚索，间排距2000mm×2000mm。锚杆预紧力矩不低于300N·m，禁止大于500 N·m。锚索初次张拉预应力损失完成后大于200kN，锚杆(索)全部垂直煤岩体布置。锚杆锚索支护布置如图5 所示。

图5 22109 运输巷锚杆锚索支护

5 支护效果

掘进期间监测结果如图6 所示。井下实施支护方案后，巷道整体变形小，尤其是底板基本未发生变形，两帮最大移近量达到60mm，其中采空侧帮变形量最大为44mm;顶底板移近量31mm，巷道以浅部离层为主，离层量为20mm，围岩变形主要发生在巷道掘进的初期阶段。锚杆锚索受力变化趋势同表面位移，在巷道开挖初期，锚杆锚索受力增幅最大，巷道掘进100m 左右达到稳定，其中采空区侧帮锚杆受力较大，最大达到120kN，锚索平均受力260kN，锚杆锚索受力稳定。综合分析可知，22109 运输巷整体变形量小，巷道较稳定。

图6 表面位移和离层变化曲线

22109 工作面回采期间采空侧帮移近量最大为176mm，实体煤侧帮移近量为93mm，顶板最大下沉量为45mm，基本没有底鼓，锚索受力最大达到312kN，锚杆最大受力158kN，巷道整体稳定，满足生产和安全需求。

6 结论

(1)22109 工作面属于孤岛工作面，22109 运输巷受22111 未稳定采空区影响，加上沿煤层底板掘进，留有顶煤，煤岩体破碎，巷道维护困难。

(2)通过理论计算，确定了最小护巷煤柱宽度，模拟研究了不同煤柱尺寸下围岩变形和受力变化规律，结合工程实践经验，最终确定22109 运输巷护巷煤柱宽度为10m 较合理。

(3)分析了22109 运输巷支护对策，提出采用高预应力锚杆锚索支护组合系统，成功解决了孤岛工作面沿空掘巷支护难题，保证了巷道的稳定。

［1］郑百生，谢文兵，窦林名，等.近距离孤岛工作面动压影响巷道围岩控制［J］.中国矿业大学学报，2006，35 (4):483－487.

［2］高 浩，崔廷锋，张 魁，等.留小煤柱沿空掘巷技术［J］.煤矿安全，2012，43 (4):106－108.

［3］赵国贞，马占国，马继刚，等.复杂条件下小煤柱动压巷道变形控制研究［J］.中国煤炭，2011，37 (3):52－56.

［4］康红普，王金华.煤巷锚杆支护理论与成套技术［M］.北京:煤炭工业出版社，2007.

［5］侯朝炯，郭励生，勾攀峰.煤巷锚杆支护［M］.徐州:中国矿业大学出版社，1999.

［6］林 健，赵英利，吴拥政，等.松软破碎煤体小煤柱护巷高预紧力强力锚杆锚索支护研究与应用［J］.煤矿开采，2007，12 (3):47－50.

［7］康红普，王金华，林 健.高预应力强力支护系统及其在深部巷道中的应用［J］.煤炭学报，2007，32 (12):1233－1238.

［8］王金海.孤岛煤柱工作面巷道掘进支护［J］.煤炭工程，2011，32 (2):26－27.

［9］刘小峰.小煤柱动压掘进巷道控制技术研究［J］.煤矿开采，2011，16 (1):64－66.