厚煤層綜放面沿空掘巷分段圍巖控制技術(shù)研究

左 文 錄

（山西潞安集團(tuán)蒲縣黑龍煤業(yè)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(tuán)黑龍煤業(yè)聯(lián)合開采9 號、10 號、11號合并煤層，現(xiàn)開采的2102 工作面9+10+11 號煤層均厚6.0m，頂?shù)装寰C合柱狀圖如圖1 所示。西翼為已回采的2104 工作面采空區(qū)，東翼為軌道、運(yùn)輸、回風(fēng)三條大巷。考慮到工作面采動擾動，設(shè)計9+10+11 號煤層軌道大巷保護(hù)煤柱時，計劃留設(shè)75m 寬煤柱護(hù)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(yán)重，煤炭回收率低，同時工作面傾斜長度較短不利于實現(xiàn)工作面高產(chǎn)高效。考慮到其鄰近2104 工作面回采結(jié)束至今已有1a 時間，其采空側(cè)上覆巖層活動已經(jīng)基本穩(wěn)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(shù)，以減小區(qū)段煤柱寬度，為此，亟需開展黑龍煤業(yè)2102 工作面沿空掘巷支護(hù)技術(shù)研究。

2 沿空掘巷合理煤柱寬度數(shù)值模擬研究

為合理確定護(hù)巷煤柱寬度，采用FLAC3D數(shù)值模擬軟件進(jìn)行模擬分析，模擬主要對象是黑龍煤業(yè)2102 工作面回風(fēng)順槽，主要研究內(nèi)容是分析不同寬度保護(hù)煤柱下沿空掘巷圍巖的穩(wěn)定性，確定護(hù)巷煤柱寬度。

基于2102 工作面工程地質(zhì)條件，數(shù)值計算模型：長300m，高65m，寬20m。采用摩爾庫倫本構(gòu)模型，圍巖物理力學(xué)參數(shù)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(cè)壓系數(shù)為1.4。

數(shù)值計算時，2104 工作面采高取 6.0m，2102 工作面回風(fēng)順槽沿底掘進(jìn)，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(qū)側(cè)向支承應(yīng)力影響不同煤柱寬度下（5m～30m）沿空掘巷圍巖應(yīng)力變化特征。

表1 巖層物理力學(xué)參數(shù)

護(hù)巷煤柱寬度影響著沿空掘巷所處應(yīng)力環(huán)境，采用較寬或者較窄的煤柱進(jìn)行沿空掘巷時，可使試驗巷道避開受采空區(qū)側(cè)向支承應(yīng)力集中峰值區(qū)，從而一定程度上改善巷道圍巖應(yīng)力狀態(tài)，因此在選擇煤柱寬度時，要充分考慮試驗巷道所處應(yīng)力環(huán)境，避免將試驗巷道選擇在應(yīng)力集中峰值范圍內(nèi)，減小巷道圍巖產(chǎn)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(qū)側(cè)向支承壓力作用下試驗巷道（2102工作面回風(fēng)順槽）圍巖應(yīng)力分布云圖，從圖中可以看出，在鄰近工作面采空區(qū)覆巖活動基本趨于穩(wěn)定進(jìn)行沿空掘巷，巷道圍巖應(yīng)力重新分布，當(dāng)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(nèi)應(yīng)力向深部（實煤體幫）轉(zhuǎn)移，此時試驗巷道煤柱內(nèi)應(yīng)力較小，實煤體幫應(yīng)力集中程度較大，但巷道整體處于卸壓范圍，圍巖應(yīng)力環(huán)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(yīng)力出現(xiàn)明顯增加，而試驗巷道實煤體幫煤體內(nèi)應(yīng)力逐漸減小，當(dāng)煤柱寬度達(dá)到一定后（煤柱寬度20m），2104 工作面采空區(qū)側(cè)向支承壓力傳遞到下工作面回風(fēng)順槽圍巖的應(yīng)力將可忽略，此時巷道圍巖應(yīng)力環(huán)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(yīng)力分布云圖

為提高黑龍煤業(yè)2102 工作面單產(chǎn)以及煤炭回收率，在調(diào)研工作面生產(chǎn)地質(zhì)資料、分析煤柱寬度對沿空掘巷圍巖穩(wěn)定性的影響后，最終確定2102 工作面回風(fēng)順槽采用窄煤柱沿空掘巷布置方式，煤柱寬度設(shè)計為5m。

3 沿空巷道分段圍巖控制參數(shù)

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

1）正常區(qū)域沿空掘巷支護(hù)方案。正常區(qū)域沿空掘巷支護(hù)參數(shù)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(qū)域巷道支護(hù)斷面圖

2）殘余煤柱影響區(qū)域沿空掘巷支護(hù)方案。在上水平采空區(qū)殘余煤柱影響范圍內(nèi)，采用殘余煤柱影響區(qū)域沿空掘巷支護(hù)方案，主要包括殘余煤柱及其兩側(cè)30m 范圍內(nèi)下方的沿空掘巷區(qū)域，支護(hù)參數(shù)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(qū)巷道支護(hù)斷面圖

3）特殊區(qū)域沿空掘巷支護(hù)方案。在頂板出現(xiàn)黃泥或偽頂極為破碎，現(xiàn)場無法施工錨桿（索）的區(qū)域，采用特殊區(qū)域沿空掘巷支護(hù)方案，支護(hù)參數(shù)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(jìn)行支護(hù)，棚距800m，巷道兩幫采用錨桿支護(hù)，錨桿直徑Φ22mm，長度L2400mm，間排距800mm×800mm。

4 技術(shù)及經(jīng)濟(jì)效益分析

4.1 圍巖變形特征分析

依據(jù)上述技術(shù)方案，展開5m 窄煤柱沿空掘巷工業(yè)性試驗，2102 回風(fēng)順槽采用分段支護(hù)方案，巷道掘進(jìn)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(jìn)行了觀測，繪制如圖5 所示的圍巖變形曲線。如圖6 所示，當(dāng)測點距離回采工作面40m時，沿空巷道開始發(fā)生快速變形，當(dāng)距離回采工作面20m 時，圍巖變形速度達(dá)到最大，當(dāng)工作面推進(jìn)到測站位置時，巷道頂兩幫相對移近量為980mm，頂?shù)装逑鄬σ平繛?80mm，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(jīng)濟(jì)效益分析

沿空掘巷具有提高煤炭回收率的優(yōu)點，本節(jié)對2102 工作面采用窄煤柱沿空掘巷前后工作面可采儲量進(jìn)行估算，已知2104 工作面采空區(qū)距3 條大巷約270m，2102 工作面推進(jìn)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(shè)75m 保護(hù)煤柱，相鄰工作面留設(shè)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(fēng)順槽進(jìn)行沿空掘巷，大巷留設(shè)75m 保護(hù)煤柱，相鄰工作面留設(shè)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(jié) 論

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

2） 針對2102 工作面回風(fēng)順槽不同區(qū)域地質(zhì)條件，沿空掘巷設(shè)計了不同的支護(hù)方案，包括正常區(qū)域沿空掘巷支護(hù)方案、殘余煤柱影響區(qū)域沿空掘巷支護(hù)方案、特殊區(qū)域沿空掘巷支護(hù)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?shù)装逑鄬σ平繛?80mm，基本可滿足工作面回采的需求。采用沿空掘巷技術(shù)可多回采原煤6 萬t，工作面煤炭回收率提高了8%。