綜采工作面窄煤柱沿空掘巷支護技術研究

張兵強

（山西沁和能源集團南凹寺煤業有限公司，山西 晉城 048000）

1 工作面概況

南凹寺煤礦30407 工作面為綜采工作面，主采3#煤層，煤層厚度為7.3～8.8 m，平均煤厚8.05 m。30407 綜采工作面走向長度943 m，傾向長度180 m，煤層傾角2°～5°，平均3°30′。煤層基本頂為8 m 厚中粒砂巖，直接頂為5 m 厚灰黑色砂質泥巖，直接底為3 m 厚灰黑色厚層狀砂質泥巖，基本底為灰白色厚層狀中粒砂巖，厚度為6 m。

2 煤柱留設方案分析

南凹寺煤礦以往在布置臨近采空區工作面時，為保證掘巷的安全，留設35 m 大尺寸煤柱，造成了大量的資源浪費。為避免資源浪費，增加礦井的經濟收入，30407 綜采工作面運輸巷將以沿空掘巷的方式設計，并對其煤柱留設方案進行分析[1-6]，使資源采出最大化的同時，保證其安全掘進。30407工作面運輸巷臨近30405 工作面采空區，30405 工作面已回采結束8 個月，采空區已基本壓實。

數值模擬技術能夠對煤巖體等材料進行三維結構受力特性仿真計算。根據地質資料和生產情況，采用FLAC3D計算軟件對3 m、5 m、7 m、10 m 和12 m 五種煤柱留設方案進行數值模擬。

通過FLAC3D仿真計算軟件對以上五種方案進行模擬，發現煤柱留設方案所造成的巷道圍巖位移量、頂板應力分布情況、塑性區域分布都差別不大。煤柱留設越小，巷道圍巖的位移量越大，但是煤柱受高應力集中影響范圍越小，有利于保證沿空掘巷掘進時的巷道圍巖穩定性。在采取大煤柱留設方案時，前期沿空掘巷掘進受影響較小，巷道圍巖穩定性強，但隨著巷道向前掘進，巷道兩幫越來越受到應力集中的影響，煤柱受高應力影響范圍增加，巷道圍巖變形速度加快，對巷道長時間掘進穩定性造成嚴重影響。

根據FLAC3D仿真計算軟件的數值模擬結果分析，沿空掘巷采用5 m 的煤柱留設方案最為科學合理，既能夠保證巷道長期穩定，滿足回采需求，又能提高煤炭采出率，增加礦井生產收益。

3 沿空掘巷支護方案設計

3.1 錨桿支護

30407 工作面沿空掘巷設計斷面面積23.2 m2，巷寬4 m，上段巷高3 m，下段巷高2.8 m。3#煤層位于地表以下180 m，埋深淺，因此，在巷道掘進期間采用錨桿+金屬網+礦用梯子梁的支護形式。沿空掘巷支護設計圖如圖1，巷道主要支護參數見表1。

圖1 沿空掘巷支護設計圖

表1 沿空掘巷主要支護參數

3.2 注漿加固

為提高巷道支護的效果，設計采用注漿加固的形式對沿空掘巷支護方案進行進一步加強。將混合漿液通過鉆孔壓入巷道周圍的破碎煤體內，漿液具有滲透性強、易凝固的特點，能夠使破碎煤體膠結在一起，成為一個整體，從而提高煤體的受力性能，增強承壓能力，提高巷道的穩定性。

注漿加固材料選用水泥、固化劑、水按1:1.5:0.5配比進行調配。為最大化注漿效果，注漿孔打設深度定為2.4 m，注漿壓力定為1～1.5 MPa。在距巷道頂板0.6 m、巷道底板0.6 m 位置布置注漿孔，巷道中部注漿間距0.8 m。注漿加固鉆孔布置如圖2。

圖2 注漿加固鉆孔布置圖

4 沿空掘巷圍巖位移觀測

4.1 頂板下沉監測分析

在30407 綜采工作面切眼以外180 m 處布置圍巖位移觀測點。通過觀測分析沿空掘巷掘進時巷道頂板圍巖的位移量，發現巷道頂板圍巖總體位移量較小，如圖3。巷道在掘進過后10 d 內，巷道頂板圍巖有下沉現象，平均下沉量為1.6 mm/d，10 d 后頂板圍巖的下沉速度明顯變小，30 d 后巷道頂板圍巖開始穩定。沿空掘巷掘進期間頂板圍巖下沉量共計23 mm，圍巖位移情況較小。工作面開始回采后，前10 d 內，由于觀測點距切眼距離較遠，測得頂板下沉量為1.8 mm/d，隨著工作面的回采進度，巷道頂板圍巖受采動影響，頂板下沉速度明顯增加，觀測頂板圍巖下沉量為6 mm/d，工作面回采30 d 后，頂板圍巖下沉量累計到128 mm 后，下沉速度略有降低，工作面回采至60 d 后，巷道頂板圍巖下沉量達到135 mm。

圖3 30407 工作面頂板圍巖下沉量曲線圖

4.2 巷道兩幫位移監測分析

如圖4 所示，30407 工作面沿空掘巷在掘進時，巷道兩幫圍巖位移量較小，在掘進15 d 時，兩幫圍巖位移量為125 mm，然后巷幫趨于穩定。工作面在回采之前，已按設計對留設煤柱進行注漿加固，注漿加固后的煤柱承壓能力和穩定性顯著增加。在工作面回采時煤柱側巷幫圍巖位移量僅為50 mm，實體煤側巷幫在工作面回采初期就出現巷幫變形，并且隨工作面回采進度，巷幫圍巖位移速度明顯增加，工作面回采至60 d 后，實體煤側巷幫圍巖位移量為900 mm，結果表明對工作面回采影響較小。通過錨桿+金屬網+梯子梁的支護設計以及對留設煤柱進行注漿加固的方案對巷道圍巖位移情況的控制效果良好，能夠滿足工作面的生產需求。

4.3 巷道底板底鼓監測分析

30407 工作面沿空掘巷在掘進時，底板未出現明顯底鼓現象。工作面在回采推進期間，由于底板圍巖巖性為泥巖，穩定性不足，最大底鼓量為1.5 m，在此期間，需要對底板進行落底，保證工作面回采不受影響。

5 結語

30407 綜采工作面沿空掘巷在掘進期間的煤柱留設采用5 m 尺寸的留設方案，根據工作面走向長度計算，當工作面回采結束后，煤炭采出量可增加20 萬t，為礦井帶來巨大的經濟效益。