厚煤層綜放面沿空掘巷分段圍巖控制技術研究

左 文 錄

（山西潞安集團蒲縣黑龍煤業有限公司，山西 蒲縣 041200）

1 工程背景

圖1 工作面煤層柱狀圖

山西潞安集團黑龍煤業聯合開采9 號、10 號、11號合并煤層，現開采的2102 工作面9+10+11 號煤層均厚6.0m，頂底板綜合柱狀圖如圖1 所示。西翼為已回采的2104 工作面采空區，東翼為軌道、運輸、回風三條大巷。考慮到工作面采動擾動，設計9+10+11 號煤層軌道大巷保護煤柱時，計劃留設75m 寬煤柱護巷，以控制動壓作用大巷圍巖大變形。但該布置方式直接面臨的問題是：工作面煤炭資源損失嚴重，煤炭回收率低，同時工作面傾斜長度較短不利于實現工作面高產高效。考慮到其鄰近2104 工作面回采結束至今已有1a 時間，其采空側上覆巖層活動已經基本穩定，為盡可能提高煤炭資源的采出率，計劃在2102 工作面回采時采用窄煤柱沿空掘巷技術，以減小區段煤柱寬度，為此，亟需開展黑龍煤業2102 工作面沿空掘巷支護技術研究。

2 沿空掘巷合理煤柱寬度數值模擬研究

為合理確定護巷煤柱寬度，采用FLAC3D數值模擬軟件進行模擬分析，模擬主要對象是黑龍煤業2102 工作面回風順槽，主要研究內容是分析不同寬度保護煤柱下沿空掘巷圍巖的穩定性，確定護巷煤柱寬度。

基于2102 工作面工程地質條件，數值計算模型：長300m，高65m，寬20m。采用摩爾庫倫本構模型，圍巖物理力學參數見表1。模型左右、前后以及底部均采用固定位移邊界條件，在模型頂部施加垂直載荷4.5MPa，水平側壓系數為1.4。

數值計算時，2104 工作面采高取 6.0m，2102 工作面回風順槽沿底掘進，矩形斷面，尺寸（寬×高）4.0m×3.0m，基于此，分別模擬受2104 工作面采空區側向支承應力影響不同煤柱寬度下（5m～30m）沿空掘巷圍巖應力變化特征。

表1 巖層物理力學參數

護巷煤柱寬度影響著沿空掘巷所處應力環境，采用較寬或者較窄的煤柱進行沿空掘巷時，可使試驗巷道避開受采空區側向支承應力集中峰值區，從而一定程度上改善巷道圍巖應力狀態，因此在選擇煤柱寬度時，要充分考慮試驗巷道所處應力環境，避免將試驗巷道選擇在應力集中峰值范圍內，減小巷道圍巖產生大變形的能力。

圖2 給出了5m～20m 不同煤柱寬度下，在2104工作面采空區側向支承壓力作用下試驗巷道（2102工作面回風順槽）圍巖應力分布云圖，從圖中可以看出，在鄰近工作面采空區覆巖活動基本趨于穩定進行沿空掘巷，巷道圍巖應力重新分布，當采用窄煤柱掘巷時（煤柱寬度5m），煤柱承載能力較低，屬于屈服煤柱，煤柱內應力向深部（實煤體幫）轉移，此時試驗巷道煤柱內應力較小，實煤體幫應力集中程度較大，但巷道整體處于卸壓范圍，圍巖應力環境相對良好，隨著煤柱寬度的增加，試驗巷道煤柱承載能力提高，應力出現明顯增加，而試驗巷道實煤體幫煤體內應力逐漸減小，當煤柱寬度達到一定后（煤柱寬度20m），2104 工作面采空區側向支承壓力傳遞到下工作面回風順槽圍巖的應力將可忽略，此時巷道圍巖應力環境亦相對良好，但該布置方式將損失大量煤炭資源。

圖2 不同煤柱寬度下沿空掘巷圍巖垂直應力分布云圖

為提高黑龍煤業2102 工作面單產以及煤炭回收率，在調研工作面生產地質資料、分析煤柱寬度對沿空掘巷圍巖穩定性的影響后，最終確定2102 工作面回風順槽采用窄煤柱沿空掘巷布置方式，煤柱寬度設計為5m。

3 沿空巷道分段圍巖控制參數

由礦井地質資料可知，2102 工作面回風順槽掘進期間會通過水平殘余煤柱影響區區域和頂板出現黃泥和偽頂破碎的區域，針對沿空掘巷不同區域不同的頂板條件，提出不同的支護方案，共3 種方案，包括正常區域沿空掘巷支護方案、殘余煤柱影響區域沿空掘巷支護方案、特殊區域沿空掘巷支護方案，其中，殘余煤柱影響區域是指上水平殘余煤柱影響范圍內，特殊區域是指在頂板出現黃泥或偽頂極為破碎，現場無法施工錨桿（索）的區域。

1）正常區域沿空掘巷支護方案。正常區域沿空掘巷支護參數如下：巷道為矩形斷面，尺寸（寬×高）4.0m×3.0m，錨桿直徑Φ22mm，長度L2400mm，間排距800mm×800mm，頂板錨索為Φ18.9mm 的鋼絞線，長度L6300mm，間排距1800mm×1600mm，如圖3 所示。

圖3 正常區域巷道支護斷面圖

2）殘余煤柱影響區域沿空掘巷支護方案。在上水平采空區殘余煤柱影響范圍內，采用殘余煤柱影響區域沿空掘巷支護方案，主要包括殘余煤柱及其兩側30m 范圍內下方的沿空掘巷區域，支護參數如下：巷道為矩形斷面，尺寸（寬×高）4.0m×3.0m，錨桿直徑Φ22mm，長度L2400mm，間排距800mm×800mm，頂板錨索為Φ18.9mm 的鋼絞線，長度L7300mm，錨索采用“212”布置方式，如圖4 所示。

圖4 殘余煤柱區巷道支護斷面圖

3）特殊區域沿空掘巷支護方案。在頂板出現黃泥或偽頂極為破碎，現場無法施工錨桿（索）的區域，采用特殊區域沿空掘巷支護方案，支護參數如下：巷道為矩形斷面，尺寸（寬×高）4.0m×3.0m，頂板采用“單體液壓支柱+ 工字鋼棚”進行支護，棚距800m，巷道兩幫采用錨桿支護，錨桿直徑Φ22mm，長度L2400mm，間排距800mm×800mm。

4 技術及經濟效益分析

4.1 圍巖變形特征分析

依據上述技術方案，展開5m 窄煤柱沿空掘巷工業性試驗，2102 回風順槽采用分段支護方案，巷道掘進階段圍巖變形量很小， 基本控制在10～20mm，2102 工作面回采過程中對沿空巷道的圍巖變形量進行了觀測，繪制如圖5 所示的圍巖變形曲線。如圖6 所示，當測點距離回采工作面40m時，沿空巷道開始發生快速變形，當距離回采工作面20m 時，圍巖變形速度達到最大，當工作面推進到測站位置時，巷道頂兩幫相對移近量為980mm，頂底板相對移近量為580mm，基本可滿足工作面回采的需求。

圖5 圍巖變形量觀測

4.2 經濟效益分析

沿空掘巷具有提高煤炭回收率的優點，本節對2102 工作面采用窄煤柱沿空掘巷前后工作面可采儲量進行估算，已知2104 工作面采空區距3 條大巷約270m，2102 工作面推進長度按560m 計算，平均煤厚6.0m，采高 3.0±0.1m，放煤高度 3.0m，采放比為 1：1，底分層回收率為95%，頂煤回收率為85%，煤的容重1.4t/m3。

1）寬煤柱：大巷留設75m 保護煤柱，相鄰工作面留設20m 煤柱，此時，2102 工作面長度175m，可采儲量 Q1=175×560×（3×0.95+3×0.85）×1.4=74 萬 t。

2）窄煤柱：2102 回風順槽進行沿空掘巷，大巷留設75m 保護煤柱，相鄰工作面留設5m 煤柱，此時，2102 工作面長度190m，可采儲量Q2=190×560×（3×0.95+3×0.85）×1.4=80 萬 t。

綜上計算，2102 工作面采用窄煤柱沿空掘巷布置后，可多回采原煤6 萬t，工作面煤炭回收率提高了8%。

5 結 論

1）為提高黑龍煤業2102 工作面單產以及煤炭回收率，最終確定2102 工作面回風順槽采用窄煤柱沿空掘巷布置方式，煤柱寬度設計為5m。

2） 針對2102 工作面回風順槽不同區域地質條件，沿空掘巷設計了不同的支護方案，包括正常區域沿空掘巷支護方案、殘余煤柱影響區域沿空掘巷支護方案、特殊區域沿空掘巷支護方案。

3）沿空巷道在工作面回采過程中，巷道頂兩幫相對移近量為980mm，頂底板相對移近量為580mm，基本可滿足工作面回采的需求。采用沿空掘巷技術可多回采原煤6 萬t，工作面煤炭回收率提高了8%。