億隆煤業小煤柱沿空掘巷技術應用研究

（霍州煤電集團洪洞億隆煤業有限責任公司，山西 臨汾 041600）

1 工程概況

霍州煤電集團洪洞億隆煤業有限責任公司1-102回采工作面地表相對位于東梁村以東，地表為黃土丘陵和溝壑，黃土層厚度118～136m，基巖厚度為170～210m，地表形態屬中高山地形，地表丘陵為農田，溝壑內種植樹木。1-102回采工作面位于260水平南側，回采工作面以北為接替的1-103回采工作面（未掘），以南為260水平采區1-101回采工作面（正在回采），以西為采區三條上山，以東為萬安斷層保安煤柱及采區邊界，1-102工作面位置見圖1。1-102工作面所采1#煤層總厚為1.6～1.75m，煤層結構簡單無夾矸，煤層傾角6°～8°，地面標高為+610～+640m，井下標高為+180～+220m，工作面頂底板巖性特征見表1。根據億隆煤業《2019年度瓦斯等級鑒定報告》，1-102工作面在回采期間工作面預計最大絕對瓦斯涌出量為0.62m3/min，1#煤層瓦斯相對涌出量為0.023m3/t，億隆煤業屬于低瓦斯礦井。為提高億隆煤業1#煤層的采出率，該礦設計采用留小煤柱沿空掘巷技術，該礦采用單翼回采，若在上區段工作面回采完畢后進行沿空掘巷，將導致礦井無法正常的采掘接替，因此設計在工作面回采期間，進行接替工作面沿空掘巷的施工，為保證迎回采面沿空掘巷的安全，以1-102回風順槽的施工為背景展開相關研究。

表1 頂底板巖性特征

圖1 采掘布置平面

2 沿空掘巷煤柱寬度研究

為更加合理的確定億隆煤業1-102回風順槽沿空掘巷的煤柱寬度，根據億隆煤業1-102工作面的具體情況，采用FLAC3D軟件進行數值模擬[1-2]，參考相關文獻[3]中類似地質條件下的數值計算模型。本次模擬需要進行臨近工作面的回采及沿空巷道的掘進，為有效避免工作面寬度方向的邊界效應，同時考慮計算的精度、速度等因素，設計工作面長度方向模型尺寸為100 m（X軸），工作面推進方向模型尺寸為200 m（Y軸），模擬巖層總厚為70 m（Z軸），模型尺寸為100（長）×200（寬）×70 m（高），三維數值模型見圖2（a）。在回采巷道附近加密網格的劃分，共劃分為468500個單元，模型中回風順槽和運輸順槽斷面尺寸為5.2（寬）×3.0 m（高），模型前后左右水平方向的位移為零，下部邊界為固定邊界，模型上部邊界施加10.25MPa的垂直應力。模擬方案：①1-101工作面回采巷道開挖→②1-101工作面回采10 m→③1-102回風順槽掘進10m，②和③交替進行，直至1-101工作面回采完畢。模擬方案見圖2（b），模擬選取煤柱寬度為3～10 m。

圖2 三維數值計算模型

圖3（a）所示結果為巷道掘進期間，窄煤柱中部沿其寬度方向垂直應力的變化規律，由圖可知，煤柱內垂直應力呈Ω型分布，煤柱中部區域垂直應力最大，隨著護巷煤柱寬度的增大，煤柱內垂直應力峰值不斷增大，煤柱寬度為3～4m時，煤柱內垂直應力均小于原巖應力，表明此時煤柱已全部塑性破壞，承載能力大大降低；煤柱寬度大于等于5m時，應力峰值均大于原巖應力，煤柱中部存在一定寬度的應力集中區，窄煤柱中部出現穩定承載區域，煤柱具有良好的承載性能，由此可知，護巷煤柱應大于等于5 m。

圖3 數值模擬過程及結果

圖3（b）中結果為不同煤柱寬度條件下，巷道掘進期間圍巖的位移量。由圖可以看出，沿空掘巷期間圍巖變形較大的為頂板和兩幫，受煤柱寬度變化影響較大的為頂板和兩幫，底板底鼓量無明顯變化，隨著護巷煤柱寬度的增大，巷道圍巖的位移量逐漸增大，煤柱由3 m增大至7m，巷道頂板和兩幫變形量增加明顯；煤柱寬度由7 m繼續增大至10m，頂板和兩幫變形量基本穩定不變。基于護巷煤柱的作用提出確定煤柱寬度的原則[4]：①改善沿空巷道的應力環境；②使沿空巷道圍巖位移較小；③提高煤炭資源的利用率。基于以上原則，最終設計億隆煤業1-102回風順槽沿空掘巷護巷煤柱寬度為5 m。

3 迎采沿空巷道圍巖應力分布

為準確的探究沿空巷道掘進受臨近工作面采動的具體影響，數值模擬護巷煤柱寬度為5.2m的條件下，統計與臨近回采工作面不同距離條件下掘進迎頭處垂直應力的峰值，整理得到圖4中的結果。由圖可知，當回采工作面距巷道迎頭距離較大時（大于48 m），掘進迎頭處圍巖應力不受臨近工作面采動的影響；當掘進迎頭距臨近采煤工作面距離小于48m時，巷道圍巖應力開始由原巖應力迅速增大，直至掘進迎頭與臨近采煤工作面交匯且距離增大至-18m時，圍巖應力達到峰值，應力集中系數為3.32；隨著掘進迎頭和臨近采煤工作面距離繼續增大，圍巖垂直應力在-18～-105m范圍內呈雙峰分布并逐漸減弱，掘進迎頭距采煤工作面105 m以后垂直應力趨于穩定。綜上可知，掘進迎頭與采煤工作面距離在+48～-105m范圍內時，巷道掘進受到劇烈的采動影響，滯后采煤工作面約18m時，受到的采動影響最為劇烈。

圖4 迎采巷道軸向方向應力峰值分布

4 迎采沿空掘巷圍巖控制技術

4.1 掘巷時機的選擇

根據以上研究成果可知，沿空巷道掘進工作面與臨近工作面距離不同條件下，受到的采動影響程度不同，掘進迎頭距臨近采煤工作面+48～-105m范圍內受到的采動影響最為劇烈，圍巖內垂直應力出現3次峰值，應力波動明顯。為防止1-102回風順槽掘進期間受到毗鄰1-101工作面采動的影響，圍巖出現大變形、難以維護的現象，沿空巷道掘進時應避免出現掘進和采動疊加影響的現象，又考慮到礦井采掘接替的問題，設計1-102回風順槽掘進按照以下步驟進行，掘進工作面距臨近采煤工作面較遠時，巷道正常掘進，當掘進迎頭距臨近工作面72m時（設計1.5的掘進安全系數），巷道停止掘進，直至掘進迎頭滯后采煤工作面120 m后，重新開始巷道的掘進，并采取適當的措施對停采前的成巷段進行加固補強。

4.2 支護參數

1-102回風順槽采用矩形斷面，掘進期間永久支護方式為錨網索+鋼筋梯子梁，主要支護參數：頂板和兩幫錨桿采用桿體規格為直徑0.02m、長度2.4m的HRB335 左旋螺紋鋼，采用樹脂錨固劑加長錨固，采用CK2335型和Z2360型樹脂藥卷各一支，頂板錨桿間排距為0.8 m×1m，每排7根均勻布置，靠近外側的2根錨桿向巷道外側傾斜20°，兩幫錨桿間排距為0.9 m×1m，每幫4根，靠近頂板和底板的錨桿與水平方向呈20°施工。頂板錨索采用直徑0.0178m，長度7.3m的鋼絞線，錨固劑為一支CK2335和兩支Z2360樹脂藥卷，錨索間排距為2.4 m×2.4m，每排兩根，垂直巷道頂板安裝。金屬網采用10#鐵絲焊制的經緯網，頂板和兩幫鋼筋梯子梁采用直徑0.014m的圓鋼制成。當1-102回風順槽掘進至1-101工作面72m時，停止掘進，并采用單體柱+π型梁對已經成巷的巷段進行補強加固，單體柱間距為1.8m，每排三根，排距為1m，頂梁長度為4 m。1-102回風順槽支護見圖5。

圖5 1-102回風順槽支護詳情

5 1-102回風順槽支護效果考察

為具體考察億隆煤業1-102回風順槽的支護效果，在巷道掘進前期布置巷道表面位移監測站[5]，根據現場記錄的數據整理得到圖6中的結果，距臨近1-101回采工作面60 m以上時，巷道圍巖位移量基本零，測點距工作面60m時，巷道圍巖位移開始明顯增大，臨近工作面推過測點后，巷道圍巖位移仍不斷增大，距工作面約140 m后圍巖的位移量不再增大。相較于數值模擬結果，沿空巷道受到臨近工作面采動影響的范圍略大于數值模擬結果，主要由于實際地質條件與數值模型存在一定差異，模擬時未考慮斷層、陷落柱等地質構造的影響。總體而言，數值模擬結果較貼合實際情況，模擬分析結果可靠。測點位于工作面后方40 m附近圍巖的位移速度最大，最終頂底板相對移近量為0.341m，兩幫移近量為0.265m，巷道整體位移較小，能夠滿足工作正常安全生產的需求。

圖6 巷道礦壓顯現監測數據

6 結語

通過數值模擬研究確定億隆煤業1-102回風順槽護巷煤柱合理寬度為5.0m，巷道掘進工作面距離臨近回采工作面+48～105m范圍內，為采動影響劇烈階段，因此設計1-102回風順槽掘進至距臨近回采工作面70 m停掘，采煤工作面推過掘進工作面120 m后，重新開始掘進，現場應用期間礦壓監測結果表明，沿空掘巷期間頂底板相對移近量為0.341m，兩幫移近量為0.265m，圍巖位移量均在合理范圍內，取得了良好的應用效果。