窄煤柱沿空掘巷技术在赵庄二号井的应用

田伟宁

【摘 要】 文章针对赵庄二号井3#煤回采工作面区段煤柱留设宽度较大、煤炭资源回采率低的问题，采用理论计算和数值模拟相结合的研究方法，确定了2325综采工作面2107巷留窄煤柱沿空掘巷时煤柱最佳宽度为8m，并给出了相应的支护方案。现场实测结果表明：当煤柱宽度为8m并采取相应支护措施后，沿空巷道顶底板和两帮最大移近量分别为154.26mm和97.15mm，巷道围岩变形控制效果良好，确保了工作面安全生产。

【关键词】 沿空掘巷;窄煤柱;数值模拟;支护设计

【中图分类号】 TD32 【文献标识码】 A 【文章编号】 2096-4102（2021）02-0015-02

本文基于前辈的研究成果，结合赵庄二号井2325综采工作面地质条件，采用理论计算和数值模拟相结合的研究方法，确定了沿空掘巷窄煤柱的合理宽度，提出了对应的支护方案，有效控制了沿空掘巷围岩变形，为类似工程条件工作面采用窄煤柱沿空掘巷技术提供了一定的借鉴。

1工程概况

赵庄二号井目前主采3#煤，煤层平均埋深204.15m;煤层厚度3.15～5.57m，平均4.36m;煤层倾角0～7°，平均2°。煤层赋存稳定，全区可采。

2325综采工作面北邻2305工作面采空区，南部为实体煤，东靠采区保护煤柱，西邻三条大巷，2325综采工作面平面布置情况如图1所示。

3#煤回采工作面留设了大量宽度为20～30m的区段煤柱，浪费了大量宝贵煤炭资源。

2窄煤柱合理宽度理论计算

护巷煤柱宽度是影响沿空留巷围岩稳定性的关键因素。上一工作面采动影响导致护巷煤柱一定宽度范围内塑性区发育，完整性降低。沿空巷道的掘进和下一工作面回采所产生的扰动使得护巷煤柱塑性区进一步发育，完整性进一步降低。若护巷煤柱宽度较小可能导致其自身的承载能力丧失，巷道支护失效，进而导致沿空巷道变形过大而失稳。根据极限平衡理论可知，护巷煤柱最小宽度应不小于极限平衡条件下的煤柱宽度。因此，护巷煤柱宽度根据式（1）进行计算：

式中：B为护巷煤柱最小宽度，m;x1为采空区侧煤柱塑性区宽度，m;x2为煤柱侧锚杆长度，m;x3为煤柱弹性核区宽度，取（0.15～0.35）（x1+x2）。由2325综采工作面具体情况知，x1为3.24m，x2为2.4m，x3为0.68～1.92m。综合考虑经济和安全等因素，取x3为2m。因此，可计算得护巷煤柱最小宽度B为7.64m，故2325综采工作面2107巷预留8m宽的护巷煤柱。

3窄煤柱宽度数值模拟分析

3.1模型建立

为进一步确定2325綜采工作面2107巷预留护巷煤柱宽度的合理性，采用FLAC3D数值模拟软件分别对宽度为5m、8m和11m时的护巷煤柱垂直应力分布情况进行模拟研究。2107巷为矩形断面，断面尺寸为5000×3300mm（宽×高）。所建数值计算模型尺寸为500×300×50m（长×宽×高），数值计算采用摩尔-库伦准则，模型上边界施加5.11MPa的均布载荷等效上覆岩层重力，模型左右、前后边界固定法向位移，底部为固定边界。2305工作面采空区采用一次性充填材料模拟垮落矸石。3#煤层及其顶底板岩层物理力学参数如表1所示。

模拟方案：首先对2305工作面进行开挖，待2305工作面采空区稳定以后，分别留设宽度为4m、6m、8m、10m和12m的护巷煤柱，对2325工作面2107巷进行沿空掘巷，分别对不同护巷煤柱宽度时煤柱采空区侧垂直应力分布情况进行分析。

3.2模拟结果与分析

不同宽度煤柱内垂直应力变化情况如图2a所示。由图2a可知，当煤柱宽度为4m和6m时，煤柱内垂直应力呈“倒V”形分布。当煤柱宽度为8m、10m、和12m时，煤柱内垂直应力呈“M”形分布。煤柱内垂直应力峰值随煤柱宽度的增大而减小，表明随着煤柱宽度的增加，煤柱内弹性核区宽度不断增大，即宽度较大的煤柱自支承能力越强。但当煤柱宽度大于10m后，煤柱内垂直应力峰值无显著变化。由此可知，煤柱宽度为8～10m时，煤柱内垂直应力分布较为合理，其自支承能力较强，有利于沿空巷道稳定。不同宽度煤柱的煤柱帮位移量变化情况如图2b所示。由图2b可知，煤柱帮位移量随煤柱宽度的增大而逐渐减小，且在煤柱宽度大于8m时煤柱帮位移量减小幅度较大，而在煤柱宽度小于8m时煤柱帮位移量减小幅度较小。综上所述，并同时考虑经济和安全等因素，确定2107巷护巷煤柱宽度为8m。

4工业性试验

结合赵庄二号井实际生产情况和邻近工作面支护情况，2325综采工作面2107巷设计采用“锚网索”方案进行支护。顶锚杆采用Φ20×2400mm的高强度左旋无纵筋螺纹钢锚杆，每排布置6根，间排距为800×1000mm，靠近巷帮的锚杆距巷帮500mm，所有顶锚杆均垂直顶板布置，锚固剂采用K2335和Z2396树脂锚固剂各一支。顶锚索采用SKP22-1/1720-5400高强度低松弛预应力钢绞线，采用“二〇二”的布置形式，间排距为2000×2400mm，锚固剂采用一支K2335和两支Z2396树脂锚固剂。帮锚杆采用Φ20×2400mm的玻璃钢锚杆，间排距为800×1000mm，两肩窝和两底角锚杆分别向上和向下倾斜25°布置，锚固剂采用K2335和Z2396树脂锚固剂各一支。2107巷支护情况如图3所示。

赵庄二号井2325综采工作面2107巷与2305工作面采空区间留设8m宽的护巷煤柱，并采用上述“锚网索”支护方案进行支护。在巷道掘进过程中，采用十字布点法对巷道表面位移量进行监测，结果表明：巷道掘进100m范围内，顶底板最大移近量和两帮最大移近量分别为154.26mm和97.15mm，巷道围岩变形量较小，围岩变形控制效果良好。证明通过留设8m宽的护巷煤柱并采取相应的支护措施后，能够有效控制2107巷围岩变形，为2325工作面安全生产奠定了基础。

5结语

为提高赵庄二号井2325综采工作面煤炭回采率，设计采用留窄煤柱沿空掘巷技术施工2107巷。根据3#煤层实际地质条件，通过理论计算和数值模拟分析确定窄煤柱的合理宽度为8m，并提出了“锚网索”支护方案。现场实测结果表明：2107巷顶底板和两帮最大移近量分别为154.26mm和97.15mm，巷道围岩变形控制效果良好，确保了2325工作面的安全生产。

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