厚煤層綜放面小煤柱沿空掘巷圍巖控制技術研究

崔振華

（晉能控股煤業集團晟泰公司，山西 晉城 048000）

青洼煤礦采用20 m 寬度的區段煤柱開采時出現資源損失嚴重、巷道因應力集中而破壞嚴重且維護困難、接替緊張的局面，制約了礦井正常生產。為解決該問題，計劃在2203 工作面實施小煤柱沿空掘巷。

1 工程背景

2203 工作面開采2#煤層，煤厚平均4.66 m，煤層傾角平均6.46°，煤層埋深168～286.5 m，煤層結構較簡單。煤塵有爆炸性，屬于Ⅲ類不易自燃煤層。采用綜采放頂煤的開采方式，采高、放煤厚度分別為2.6 m、3.06 m。工作面煤巖層綜合柱狀圖如圖1。

圖1 工作面煤巖層綜合柱狀圖

2 巷道圍巖結構特征及煤柱寬度確定

2.1 沿空巷道圍巖結構特征

采場上覆堅硬巖層在斷裂、破斷過程中對巖層運動及采場礦壓顯現起到決定性作用。沿空巷道兩側分別為鄰近面采空區、實體煤，為非對稱結構，其鄰近面覆巖基本頂在實煤側為固支結構，基本頂斷裂后出現弧形三角板結構。影響沿空掘巷圍巖穩定的主因是弧形三角板結構，該結構在回轉下沉時將導致巷道失穩。鄰近面開采結束且采空區矸石垮落穩定后關鍵塊C 較穩定，但沿采空區邊緣掘巷后，受側向壓力作用后巷道兩幫變形，關鍵塊A、B 的活動狀態也不同。掘巷對弧形三角板結構的影響有限，但開采時掘巷圍巖同時受超前壓力與采空區側壓雙重影響，改變了該結構的穩定及運動狀態，且經基本頂傳遞至巷道上。因此，沿空巷道圍巖受外力影響的關鍵是上方關鍵巖層的斷裂下沉，影響其穩定的關鍵巖層就是基本頂，且塊體B 起到關鍵性作用。如圖2。

圖2 沿空掘巷與覆巖的時空關系圖

2.2 合理煤柱寬度的理論分析

小煤柱掘巷的關鍵是合理確定煤柱尺寸，也決定煤柱是否穩定、掘巷是否順利完成。護巷煤柱寬度既要確保動壓巷道圍巖變形可控，又要盡量減少煤柱浪費以增加回采率。合理煤柱寬度是控制巷道圍巖變形的關鍵。根據極限平衡理論和研究成果，合理煤柱寬度x為：

式中：a為系數，1.15～1.35；b為煤柱幫錨桿有效長度，2 m；h為鄰近面巷高，2.7 m；λ為側壓系數，0.26；φ為煤的內摩擦角，27°；H為埋深，200 m；k為應力集中系數，0.28；σ1為頂板巖層黏聚力，3.32 MPa；σ2為煤體黏聚力，0.86 MPa；γ為覆巖容重，28 t/m3；P為鄰近面支架阻力，0。

代入式中得到煤柱寬度x為5.42～6.36 m。

2.3 合理煤柱寬度的模擬分析

根據2203 工作面地質概況，建立長100 m、寬60 m、高70 m 的數值模型，將其周圍施加水平方向位移，下邊界施加豎向位移，上邊界施加5 MPa壓力模擬覆巖自重。結合理論分析結果，分別模擬受應力擾動影響下3～8 m 寬度的煤柱時巷道破壞特性，其模擬結果如圖3。

由圖3 可知，煤柱寬度從3 m 到4 m 時，煤柱幫應力峰值由16 MPa 增加為25 MPa，增幅約58%。5 m 寬度煤柱時應力峰值為32 MPa，與4 m寬度煤柱相比增幅約27%。6 m 寬度煤柱時應力最大值33 MPa，增加了1.3%。8 m 煤柱寬度時應力最大值33 MPa，變化不明顯。煤柱寬度4～5 m 時，煤柱幫應力最大值隨著煤柱寬度的變大而大幅變大；煤柱寬度5～8 m 時，煤柱幫垂直應力峰值隨煤柱寬度的增加無明顯的變化。說明5 m 寬度煤柱的承載能力能夠支承覆巖自重的要求。考慮煤柱承載性能和資源采出率，將2203 進風巷道煤柱確定5 m。

圖3 煤柱寬度不同時掘巷圍巖垂直應力云圖

3 小煤柱巷道圍巖控制技術

3.1 小煤柱巷道支護原則

（1）采用高強高預應力錨桿（索）進行支護。傳統的錨桿（索）對條件差的巷道圍巖治理效果不好，而高強高預應力錨桿（索）錨固性能好、強度高，較容易達到有效的預緊力，配合金屬網、鋼帶等能很好地控制沿空巷道[1-10]。

（2）加強頂幫結構穩定。小煤柱巷道在掘進及回采期間可能會發生變形，除常規支護外，適時采用高強高預應力錨索對頂板和煤柱幫加強支護。若巷道煤巖體裂隙較為發育且有失穩征兆時可進行注漿加固，保證小煤柱巷道頂板及煤柱的整體強度和穩定性。

（3）小煤柱巷道切頂卸壓技術。因2#煤頂板為堅硬的砂巖，掘巷期間可能變形小，但受采動影響后可能變形嚴重。在靠近煤柱側實施切頂措施，將巷道、鄰近采空區上方基本頂巖層的應力聯系切斷，確保巷道不受本工作面超前壓力和鄰空側向壓力雙重影響。

（4）加強礦壓監測分析。為實時掌握小煤柱巷道的變化情況，對表面位移、錨桿（索）受力及頂板離層情況進行定期監測，基于監測分析結果適時采取相應的措施保證小煤柱穩定和工作面生產安全。

3.2 小煤柱巷道支護方式

確保小煤柱巷道穩定的關鍵是將錨桿（索）主動聯合支護到圍巖深部，使其形成整體穩定的承載結構。因2#煤層上方關鍵巖層為堅硬的砂巖，也有泥巖夾層，屬層狀頂板，所以運用組合梁理論確定支護參數。2203 進風巷沿頂掘進，采用錨桿（索）、金屬網、鋼筋托梁聯合支護，支護形式如圖4。

圖4 小煤柱巷道支護圖（mm）

（1）頂板、煤柱幫采用Φ20 mm、長2.4 m 的左旋無縱肋高強螺紋鋼錨桿（屈服強度400 MPa），間排距均為0.8 m。頂錨索規格Φ17.8 mm，長7.3 m，間隔2 排錨桿施工1 排錨索，間排距1.2 m×1.6 m。回采幫采用長2.2 m 的錨桿，間排距0.8 m。

（2）錨桿采用150 mm×150 mm×10 mm 托盤，錨固力、預緊力、預緊力矩分別不小于125 kN、65 kN、250 N·m；頂板、煤柱幫采用Φ14 mm×80 mm×5100/2700 mm 的鋼筋托梁將錨桿連起來。錨索采用300 mm×300 mm×16 mm 托盤，錨固力、預緊力分別不小于320 kN、178 kN。

（3）頂板、回采幫采用50 mm×50 mm 菱形網并加掛鋼筋托梁，煤柱幫采用100 mm×100 mm的鋼筋網護幫。網片搭接長度均不小于0.1 m，采用14#雙股鉛絲連接且孔孔相連、雙絲雙扣，呈兩排“三花”布置。連接點間距不大于0.2 m，擰結量不得少于3 圈。網片要鋪平、鋪展緊貼巖面。

4 現場應用效果分析

為掌握小煤柱巷道變形狀況，驗證5 m 寬度的煤柱是否合理，在掘進面內設變形監測點。目前2203 進風巷已掘300 m，根據數據分析結果，小煤柱巷道在掘進期間呈現出明顯的階段性：（1）滯后掘進面150 m 內巷道變形比較劇烈，因臨空側頂板運動活躍且未完全穩定，受掘進和采空區頂板垮落雙重影響后其圍巖變形快速增大；頂底板收縮量最大108 mm，兩幫收縮量最大216 mm。（2）滯后掘進面150 m 后巷道變形趨于穩定，變形量基本很小。因此小煤柱巷道變形可控，能滿足礦井安全高效生產要求且經濟效益明顯。

5 結論

（1）理論分析了沿空巷道覆巖結構運動特征，認為造成小煤柱巷道失穩的關鍵因素是基本頂形成的關鍵塊B。基于極限平衡理論、煤柱寬度經驗公式和模擬結果，綜合確定2203 進風巷合理煤柱寬度為5 m，并提出強力支護頂板、煤柱幫的小煤柱巷道圍巖控制對策，可有效提高圍巖穩定性。

（2）結果表明，掘巷期間滯后掘進面150 m內巷道變形較劇烈，頂底板最大變形量108 mm，兩幫最大變形量216 mm，之后巷道變形趨于穩定狀態。說明小煤柱沿空掘巷技術可改善巷道受壓狀況，巷道穩定性好、變形量小且易于維護，既滿足2203 工作面安全生產需要，還能夠大幅提高煤炭回收率。