窄煤柱沿空掘巷圍巖控制技術

路 遙

（山西煤炭運銷集團蓋州煤業有限公司，山西 高平 048400）

沿空掘巷作為窄煤柱 （一般小于8～10 m）護巷技術，能夠減少資源浪費，提高回采率[1]。同時，掘巷時巷道處于采空區應力降低區，有利于提高掘巷時的穩定性[2]。 國內外一些學者認為沿空掘巷留設窄煤柱， 相對與寬煤柱巷道掘進受動壓影響更劇烈， 煤柱和巷道圍巖變形破壞程度較寬煤柱大得多，但是這些結論都是在淺部開采、薄及中厚煤層巷道基礎上研究總結的[3-5]。隨著工作面開采深度的增加，通過機械化施工和合理支護，不能完全通過原有結論認識沿空掘巷的穩定性[6]。 對沿空掘巷來說，需要留設合理煤柱尺寸和優化支護參數來提高巷道的承載能力和穩定性，保證礦井的安全生產。

1 工作面概況

蓋州煤業9100 工作面東部為9101 工作面（已回采），西部為未開采區域，南部為井田邊界，北部為9#回風大巷。 工作面主采9 號煤層， 平均厚度1.7 m， 平均傾角1°～7°。 工作面上部存在3 號煤層采空區，距離9 號煤層厚度平均為50 m。 工作面直接頂為砂質泥巖，直接底為粉砂巖。 9100 工作面回風順槽沿著9101 工作面采空區掘進， 掘進至50 m處遇落差0.5 m的F4斷層，掘進至200 m處遇落差2 m的F5斷層，對巷道掘進的穩定性有一定影響。

2 煤柱寬度確定

2.1 模擬方案

采用UDEC模擬9100 工作面回風順槽分別留設3 m、5 m、8 m、18 m煤柱尺寸時，煤柱和巷道圍巖變形破壞情況， 從而確定沿空掘巷合理煤柱尺寸。 根據9100 工作面地質條件，建立200 m×35 m的力學模型，施加5.75 MPa大小的垂直應力，材料參數見表1。

表1 9100 工作面回風順槽材料參數

圖1 不同煤柱圍巖破壞

2.2 模擬結果分析

當回風順槽與9101 工作面采空區留設不同寬度煤柱時，圍巖破壞情況見圖1。

由圖1 可知， 當回風順槽沿著采空區掘進，留設不同煤柱尺寸煤柱及巷道圍巖破壞形式不同。 當留設3 m煤柱時， 受采空區影響煤柱內部出現裂隙，整體變形破壞嚴重，失去承載能力，近煤柱側巷道圍巖變形破壞大，對施工有較大影響。 當留設5 m煤柱時，相對于3 m來說，煤柱和巷道圍巖變形破壞有了明顯的減小， 近采空區側煤柱出現裂隙，近回風順槽側受采空區影響小， 裂隙發育不明顯，巷道圍巖變形小，對施工影響小。 當留設8 m煤柱時，煤柱和巷道圍巖變形破壞與留設5 m煤柱時相近，沒有更明顯改善。 當留設18 m煤柱時，煤柱近巷道側幾乎不出現裂隙， 雖然能保證巷道的穩定性，但是造成了資源浪費。 回風順槽留設不同煤柱寬度時，煤柱變形破壞量見圖2。

圖2 不同煤柱尺寸破壞

由圖2 可知，9100 回風順槽隨著留設煤柱尺寸的增加， 煤柱兩側變形量呈現先增加后減小的趨勢。 當留設3 m煤柱時，煤柱位于垂直應力破碎區，變形量大，近巷道和近采空區側煤柱變形量分別為600 mm、400 mm；當留設5 m煤柱時，煤柱位于垂直應力塑性區， 變形量較3 m煤柱有了明顯改善，近巷道和近采空區側煤柱變形量分別為180 mm、240 mm；當留設8 m煤柱時，變形量與5 m煤柱差別不大，近巷道側垂直應力相對較大，近巷道和近采空區側煤柱變形量分別為190 mm、246 mm；當留設8 m煤柱時，煤柱位于垂直應力彈性區，近采空區側煤柱變形破壞大，近巷道和近采空區側煤柱變形量分別為260 mm、246 mm， 煤柱變形量比5 m煤柱時大，同時造成了資源的浪費。因此，9100 工作面回風順槽留設5 m煤柱，沿9101 工作面采空區掘進最優。

3 支護參數確定

9100 工作面回風順槽沿空掘巷，在選擇合理的煤柱尺寸后，需要加強對沿空巷道支護，提高巷道的承載能力和穩定性。

3.1 錨網索支護

9100 工作面回風順槽采用錨網索的支護方式，根據9100 工作面頂板性質， 確定最合理的支護參數。

表2 回風順槽錨網索支護參數

沿空巷道采用錨網索支護時， 應安全施工，嚴控空頂距，原則上不應大于2 排錨桿排距。 巷道錨索支護后，應當采用Φ14 mm的圓鋼焊制的鋼筋梯子梁和錨桿組合，形成承載結構，提高巷道支護的強度。

3.2 注漿加固

9100 工作面回風順槽采用錨網索支護后，雖然能夠提高巷道圍巖的承載能力， 但是工作面回采后，受動壓影響，巷道仍會出現變形破壞，造成返修。 因此，需要對巷道進行注漿加固，進一步提高圍巖的強度。

回風順槽支護時選用注漿錨桿，使錨固與注漿相結合施工。 選用QB152 型便攜式注漿泵，注漿液采用一定比例水泥、黃沙、石子混合制成，通過注漿錨桿分別為順槽頂板和兩幫進行注漿加固施工，施工參數見表3。

表3 9100 工作面回風順槽注漿加固參數

注漿壓力應當大于5 MPa以上，注漿施工應當保證注漿液能夠深入圍巖裂隙，保證巷道圍巖形成整體，減小圍巖松動圈，提高巷道圍巖的承載能力。

4 支護效果檢驗

9100 工作面回風順槽選擇合理支護方式和參數后， 需要通過監測巷道圍巖變形量驗證支護效果。 巷道掘進后，每間隔20 m在巷道布置一個位移測站，監測巷道圍巖變形量，監測結果見圖3。

圖3 巷道圍巖變形量

由圖3 可知，9100 工作面回風順槽采用錨網索和注漿加固后，在觀測的時間范圍內，巷道的圍巖變形量有了明顯的減小。在觀測120 d內，回風順槽頂幫圍巖頂、幫變形量分別為35 mm、28 mm，不足以影響工作面的施工。 由此可知，支護取得了良好的效果，有效減小了沿空巷道的圍巖變形量。

5 結語

1）以蓋州煤業9100 工作面回風順槽為研究對象， 采用UDEC 模擬9100 工作面回風順槽分別留設3 m、5 m、8 m、18 m煤柱時，煤柱和巷道圍巖變形破壞情況。 根據模擬結果可知，當留設5 m煤柱時，既能保證巷道的穩定性，又能減小資源的浪費。

2）回風順槽沿空掘巷留設合理煤柱尺寸后，通過采用合理的支護方式和參數進一步提高巷道圍巖承載能力。 回風順槽通過采用錨網索和注漿加固的支護形式，增強支護強度，分別設計了支護和注漿的最優參數。 通過監測巷道圍巖變形量驗證支護效果，根據監測結果可知，5 m煤柱、錨網索支護、注漿加固相結合的方式有效提高了沿空掘巷巷道的穩定性。