厚煤層窄煤柱沿空掘巷圍巖穩定性控制技術研究

原長春

（晉能控股煤業集團成莊礦，山西 晉城 048021）

1 工程概況

成莊礦5315 工作面采用綜采放頂煤開采，開采3 號煤層，平均厚6.2 m，傾角3°，埋深在360～448 m 之間。直接頂為泥巖，厚4.4 m；基本頂為砂質泥巖，厚83 m；直接底和基本底為泥巖，厚6 m。53151 巷為5315 工作面皮帶順槽，53151 巷沿3 號煤層頂板留窄煤柱沿空掘進，巷寬5.5 m，巷高3.5 m，長度1 986.04 m。5315 工作面回采范圍內存在多個斷層和陷落柱。

2 窄煤柱寬度分析·

窄煤柱沿空掘巷[1-3]是指在上個工作面采空區側向應力降低區內，留設小煤柱沿空掘巷，利于巷道圍巖穩定。根據以往3 號煤層綜放工作面礦壓觀測結果，工作面側向支承壓力峰值距順槽巷幫平均約15 m，考慮巷道掘進寬度，對3 m、5 m、7 m 和10 m 寬度煤柱穩定性進行數值模擬，分析不同寬度煤柱塑性區分布情況。模型結合現場實際情況，取工作面最大埋深，同樣支護形式和應力環境，模擬結果如圖1。

圖1 不同寬度窄煤柱塑性區分布圖

由圖1 可以看出：（1）留設3 m 煤柱時，由于采動應力作用，煤柱完全處于塑性破壞狀態，不利于巷道圍巖穩定；（2）留設5 m 煤柱時，煤柱內部存在1.5 m 的彈性核，沒有完全塑性破壞，能夠承受較大的載荷；（3）留設7 m 煤柱時，煤柱內部彈性核增大到約4 m，煤柱承載能力進一步增強；（4）留10 m 煤柱時，煤柱內部彈性核增大到約7 m。

故此，護巷煤柱寬度不宜小于5 m。為保證沿空掘巷巷幫錨桿索的錨固可靠，窄煤柱內部彈性核不宜過小，故此決定窄煤柱留設寬度不小于6 m。

3 沿空巷道圍巖協同控制技術

由于窄煤柱沿空掘巷受采動應力影響，圍巖較為破碎，加之地質構造等影響，將錨桿支護、注漿加固及輔助支護有機結合，形成圍巖協同控制技術[4-6]。

3.1 迎頭預注漿

53151 巷掘進期間，如遇構造影響區、應力集中等圍巖松軟破碎時，需在掘進迎頭預注漿，使迎頭前方破碎煤巖體形成一個整體，以利于巷道掘進作業和頂板維護。注漿采用聚氨酯雙組分化學漿液，體積比1:1 進行注漿。注漿孔分上、中、下三排布置，下部注漿孔距底板500 mm，中部注漿孔距底板1750 mm，上部鉆孔距頂板500 mm。每排3個鉆孔，鉆孔呈扇形，鉆孔水平施工，向煤柱側偏6°～10°。鉆孔直徑42 mm，孔深10～12 m，掘進迎頭每掘進6 m 打一排預注漿鉆孔進行注漿。采用專用封孔器封孔，封孔深度4 m，封孔器外端采用注化學漿進行封孔，總封孔長度不小于4 m，孔口注漿壓力2～4 MPa。

3.2 巷道錨桿支護

（1）頂板支護

巷道頂板采用短、長配合的全錨索支護。短錨索規格為SKP22-1/1720-4300，每排6 根，間排距均為1 m；長錨索規格為SKP22-1/1720-7300，每排3 根，排距2 m，間距1.5 m，兩側距兩幫各1.25 m。長、短錨索均垂直頂板打設，采用樹脂加長錨固，預緊力不小于320 kN，鋼筋網和塑料網雙層網護表。

（2）巷幫支護

巷幫采用錨桿索支護。錨桿為500 號鋼材，直徑22 mm，長2.4 m，每幫每排4 根，間距0.9 m，排距1 m，距頂底板均為0.4 m；頂角錨桿仰角不大于10°，其余均垂直巷幫打設；采用樹脂加長錨固，預緊力矩不小于200 N·m；配套W 鋼護板。巷幫錨索與頂板短錨索規格一致，每幫每排3 根，間距均為1.4 m，距頂板0.3 m，距底板0.4 m；煤柱側排距1 m，煤體側排距2 m；與頂板錨固方式一致，預緊力不小于150 kN，預緊力不足時，需進行注漿加固；采用雙層金屬網護幫。

3.3 輔助支護

對于巷幫煤體疏松破碎，錨桿錨固力不能達到設計的150 kN 要求時，需進行輔助支護。輔助支護采用噴漿封閉、滯后注漿及單體支柱或架棚的形式。噴漿封閉厚度50 mm，滯后距離不超過50 m。單體支柱和架棚支護形式如下：

（1）煤柱側巷幫錨桿錨固力大于100 kN、小于150 kN 時，在煤柱側巷幫打設一列單體支柱，單體柱距巷幫0.5 m，排距1000 mm，滯后掘進工作面5～7 m 打設，并采用長3 m 的12#工字鋼梁支護頂板，底板采用塑料柱鞋，初撐力不小于140 kN，并采用聯柱繩連鎖，防倒到位。

（2）煤柱側巷幫錨桿錨固力大于50 kN、小于100 kN 時，采用一梁三柱支護頂板，每排打設3 根單體支柱，排距1 m，滯后工作面3～5 m 打設，前50 m 為一梁二柱，之后補為一梁三柱，頂板采用長5.5 m 的12#工字鋼梁支護頂板，底板采用塑料柱鞋，初撐力不小于140 kN，并采用聯柱繩連鎖，防倒到位。

（3）煤柱側巷幫錨桿錨固力小于50 kN 時，對此區域前后5 m 范圍進行架棚支護，按5000 mm×3500 mm 斷面架設25U 型鋼梯形棚。

3.4 滯后注漿加固

巷道掘進錨網噴支護完成后，滯后工作面100 m 對巷道幫部錨桿錨固力未達到150 kN 或錨索錨固力未達到100 kN 區段巷道幫部進行滯后注漿施工。

（1）注漿參數

在煤柱側巷幫布置注漿加固鉆孔，按排布置，呈五花型，排距為2000 mm，間距為1250 mm，鉆孔布置如圖2。鉆孔直徑45 mm，鉆孔深度4 m，每排3 個鉆孔時，上部注漿鉆孔上仰15°，下部注漿鉆孔下扎15°，中部鉆孔垂直巷幫；每排2個鉆孔時，上部注漿鉆孔上仰10°，下部注漿鉆孔下扎10°。孔口之間管路為長0.8 m 的DN20 鋼管，孔內為直徑20 mm、長3 m 的塑料管；封孔長度為0.8 m。注漿采用聚氨酯雙組分化學漿，體積比為1:1，注漿壓力為1～3 MPa。

圖2 5310 高抽巷破碎巷幫聯合支護平面示意圖

圖2 滯后注漿鉆孔布置圖

（2）效果檢測

滯后注漿施工結束后，采用鉆孔窺視儀對煤柱側注漿區域進行窺視，對于注漿不密實的區域進行補打注漿鉆孔二次補注，確保注漿加固效果。

4 效果分析

為考察留窄煤柱沿空掘巷圍巖控制效果，對巷道掘進期間的巷道表面位移及支護體受力進行了現場觀測。在巷道掘進期間巷道圍巖初期變形較大，約15 d 后，巷道圍巖變形逐漸減小。沿空掘巷巷道圍巖變形速率經歷由大到小的過程，至巷道圍巖穩定時，正常區域巷道頂底板移近量為159 mm，兩幫收縮量達到380 mm，兩幫變形主要體現為煤柱側巷幫明顯收縮。除特殊區域巷道破碎、承載能力弱、圍巖變形及錨桿索受力相對較大，其余巷道錨桿索受力均不大，能夠有效加固圍巖，實現共同承載，同時為迎接工作面回采動壓作用保留了充分變形和受力的空間。

5 結論

（1）通過數值模擬分析，確定了成莊礦厚煤層沿空掘巷窄煤柱合理寬度為6 m，并設計了錨桿支護、注漿加固及輔助支護相結合的圍巖協同控制技術。

（2）井下試驗可知，留設6 m 窄煤柱沿空掘巷較為合理，沿空巷道處于應力降低區，巷道圍巖變形及支護體整體受力較小，“錨注輔”協同支護能夠有效控制沿空巷道圍巖穩定。