石艳阳
（晋能控股煤业集团同发东周窑煤业有限公司，山西 大同 037100）
东周窑矿目前主采4#煤层，埋深为450 m左右，井田东西长约15.8 km，南北宽约14.4 km，面积119.13 km2。目前采用综采放顶煤采煤方法开采煤层，煤层平均厚度7 m。以往相邻区段煤柱留设宽度为30 m，巷道掘进和回采维护过程中矿压显现强烈，诸如出现顶板下沉、部分锚杆破断失效、部分巷道在掘进过程中发生底鼓和帮部产生网包等，导致巷宽不够，严重制约煤矿的安全生产。
为解决区段宽煤柱受采动影响巷道变形严重的问题，结合东周窑矿生产地质条件，以弹塑性力学理论为基础，通过计算侧向支承压力范围来确定煤柱的合理宽度。建立力学模型如图1所示［1-3］。
图1 设计合适煤柱宽度计算模型
式中：M为开采层厚，σx为水平应力、σy为竖向应力，σyl为竖向应力极值，τxy为层间剪切力，x1为竖向应力极值距煤壁的距离，α为开采层与水平方向角度，Px为煤柱在采空侧所受的力。
根据弹性力学理论，求在极限平衡区内任意一点的应力值为：
开采层倾角接近于0°，则上式简化为：
式中：M为开采层厚，m；
β为最大水平应力和垂直主应力的比值（侧向压力系数）；
为开采层与岩层界面间的摩擦角，取值30°；
C0为煤岩层交界处黏聚力，取1.9 MPa；
Px为煤柱受采空区的作用力，取0。
式中：β为侧压系数；
σ为最大或最小水平主应力，σH或σh，MPa；
σv为垂直应力，MPa。
其中β1=1.9，β2=0.8。
令σy=11.9 MPa（原岩垂直应力），可计算不同侧压系数下，煤厚分别为4 m、5 m、6 m、7 m、8 m时的应力降低区范围，如图2所示。
图2 煤厚不同时的减压区范围
从图2可知，最大水平应力和垂直主应力的比值一定时，开采层厚度与减压区范围是成正比的，β1=1.9，煤厚分别为4 m、5 m、6 m、7 m、8 m时对应的减压区为5.2 m、7.1 m、9.0 m、10.9 m，12.8 m；
β2=0.8时，煤厚分别为4 m、5 m、6 m、7 m、8 m时对应的减压区为7.7 m、8.7 m、9.3 m、10.1 m、10.9 m。取M=4 m，则通过上述计算，可以得出减压区为5.1～7.9 m。考虑到将巷道布置在减压区范围内，选择煤柱宽度为6 m较为合理。
1）顶板支护设计方案。锚杆采用左旋无纵筋螺纹钢锚杆（ϕ22 mm×L 2 400 mm），锚杆间排距为900 mm×1 000 mm，垂直顶板，屈服强度不低于500 MPa；
距离巷道帮部250 mm的锚杆与垂直方向夹角15°；
使用W型钢带连接锚杆，W型钢带及金属网护表，W型钢带为4 800 mm×280 mm×3 mm。每隔2排锚杆打一排锚索，锚索排距3 000 mm，间距900 mm，规格为ϕ17.8-1×7-6300 mm钢绞线，与顶板垂直，托盘为220 mm×200 mm×12 mm异性托盘（与JW钢带配套），锚索吊JW型高强度钢带及金属网护表；
JW型钢带为4 800 mm×330 mm×6 mm，金属网为ϕ6×100 mm×100 mm钢筋网，14#双股铁丝绑扎；
两腮布置角锚索，角锚索排距2 000 mm，规格为ϕ17.8-1×7-5300 mm钢绞线，与水平成75°夹角，角锚索吊600 mm短节工字钢。
2）小煤柱帮支护设计方案。锚杆采用左旋无纵筋螺纹钢锚杆（ϕ22 mm×L2 400 mm），锚杆排距1 000 mm，间距1 000 mm，锚杆使用150 mm×150 mm×10 mm的蝶形托盘；
距巷道顶300 mm打1根锚杆与水平方向夹角为15°（向上偏），距巷道底500 mm打1根锚杆与水平方向夹角为10°。
3）采煤帮支护设计方案。锚杆采用左旋无纵筋螺纹钢锚杆（ϕ22 mm×L 2 400 mm），锚杆排距1 000 mm，间距1 000 mm；
距巷道顶300 mm打1根锚杆与水平方向夹角为15°，距巷道底500 mm打1根锚杆与水平方向夹角为10°；
巷道中间2根锚杆交替换成锚索，规格为ϕ17.8-1×7-4300 mm，排距2 000 mm，锚索托盘为300 mm×300 mm×14 mm的拱形预应力铁托板，垂直巷帮。W型钢护板及金属网护表，W型钢护板为450 mm×280 mm×3 mm、金 属 网 为50 mm×50 mm的网格菱形金属网。
拟定的支护设计方案如图3所示。
图3 巷道支护
结合上述分析，5103巷道沿着采空区间隔6 m煤柱宽度掘进。在掘进期间实时进行了矿压监测，掘进期间巷道围岩变形和锚杆索受力分析如下。
图4 掘进期间巷道表面位移监测曲线
由图4分析可知，巷道顶板的最大下沉量为35 mm，左帮最大变形量为55 mm，右帮最大移近量为67 mm，巷道整体变形小。从现场监测数据看，巷道围岩稳定性好。
巷道围岩锚杆索受力分析如图5所示。
图5 巷道顶板锚索受力变化曲线
通过顶板锚索的受力状况变化可以看出，顶锚索初始预紧力达到160～195 kN之间，平均值为175 kN，掘进初期受掘进影响波动较大，之后锚索受力值一直保持稳定，最终顶锚索受力保持在140～230 kN之间，平均值为185 kN。顶板锚索受力随着掘进工作面距离的稳定变化表明，巷道围岩在很长的一段时间内一直保持稳定。
针对东周窑矿以往工作面留设较宽煤柱从而导致回采巷道围岩变形严重问题，采用弹性力学理论对巷道留设合理煤柱宽度进行了探讨；
并依据理论计算拟定5103巷新支护技术方案。通过5103巷道工程实践表明，6 m煤柱宽度是合理的；
应用巷道新支护技术后，工作面沿空掘进巷道围岩保持稳定，取得了良好的支护效果。