龐龐塔礦厚煤層沿空巷道窄煤柱強控技術與應用

周 偉

（霍州煤電集團云廈建筑工程有限公司，山西 霍州 031400）

0 引言

有關資料顯示，我國的煤炭資源儲量在世界上排名前三，已探明的煤炭資源以近萬億t，同時，我國也是世界上煤炭生產和消費最大的國家，目前我國年生產煤炭約40億t。在煤炭需求量和開采量不斷增加的時代，要求我們合理開采利用煤炭資源，充分提高煤炭回收率，保障煤炭資源的可持續發展[1-2]。據統計，我國厚煤層煤炭儲量占比達45%，因此厚煤層的合理開采直接影響我國煤炭行業發展[3-4]。針對厚煤層開采技術，形成了分層開采、綜放開采等系列開采技術，其中，綜放開采具有成本低、效率高的優點，已廣泛應用于各大礦井，在綜放開采中，回采巷道一般沿煤層底板布置，這就導致了巷道頂幫均為強度較低的煤體，而鄰近工作面的回采巷道一般通過留設一定寬度的保護煤柱，隨著開采深部的不斷增加，保護煤柱的寬度也隨之增加，大多礦井保護煤柱普遍在15～30 m之間[5-6]，這就造成了嚴重的資源浪費，為此專家學者提出了無煤柱護巷技術，沿空留巷可最大程度提高煤炭回收率，但是其巷道變形一般較大，沿空掘巷一定程度上提高了煤炭回收率，同時將巷道布置在應力降低區域，其圍巖應力環境和條件相對較好[7-8]。

1 工程背景

龐龐塔礦10-704工作面開采10號煤層，為礦井七采區，圖1給出了10號煤層七采區工作面布置示意圖，該工作面北鄰10-703工作面，南部為保安煤柱，西部為10-702采空區，東部為未布置的10-706綜放工作面，其上方55 m為5號煤層采空區，已回采結束15 a以上，采空區充分垮落。該工作面存在0.5 m厚的炭質泥巖偽頂，直接頂為6.69 m厚的泥巖灰巖，灰色，性脆，裂隙較為發育，基本頂為8.71 m厚的砂質泥巖，灰黑色，薄層狀，直接低為1.89 m厚的泥巖，灰色，塊狀，基本底為2 m厚的細粒砂巖，淺灰色，中厚層狀。

圖1 10#煤層七采區工作面布置示意圖

10-704工作面正巷為矩形斷面，寬×高為5.0 m×3.5 m，巷道采用“錨網索帶”聯合支護技術，頂板錨桿采用規格為?22 mm、L 2 400 mm的左旋螺紋鋼高強錨桿，間排距1 000 mm×1 000 mm，兩幫錨桿采用規格為?20 mm、L 2 000 mm的左旋螺紋鋼高強錨桿，間排距850 mm×1 000 mm，錨桿預緊扭矩不低于400 N·m，同時頂板采用規格為?21.8 mm、L 1 0300 mm的錨索進行加強支護，間排距2 000 mm×1 500 mm，錨索預緊力不低于40 MPa。

10-704工作面正巷為沿空巷道，煤柱寬度6.0 m，現場調研數據顯示，工作面正巷發生大變形，實煤體幫變形和局部底臌均超過1.5 m，巷道尺寸不能滿足服務要求，需進行必要的修復加固。

2 沿空巷道煤柱變形失穩機理與影響因素分析

工作面回采結束后，其基本頂破斷回轉形成弧形三角塊結構，該結構與鄰近的沿空巷道基本頂相互咬合，并產生一定的水平推力，在水平推力的作用下，巷道基本頂與直接頂相對滑移產生一定的剪切力，并傳遞至煤柱，引起煤柱變形，煤柱變形主要表現為豎直方向的壓縮和水平方向的膨脹，圖2給出了沿空巷道力學結構示意圖。有關研究表明，煤柱破壞范圍隨煤柱高度、側壓系數的增大逐漸增大，同時，煤柱強度越大，破壞范圍越小，因此對煤柱進行必要的支護，可限制煤柱破壞范圍的發展。

圖2 沿空巷道力學結構示意圖

圖3 給出了煤柱內的應力演化特征，受工作面采動影響，煤柱的承載能力逐漸增加，當其上覆載荷大于煤體強度，煤柱快速破壞，承載能力大幅度衰減，圖中顯示，初期煤柱具有一定的承載能力，當承載過大時，承載能力迅速降低，但是其承載能力并未完全喪失，因此，若采用一定的支護手段，改善煤柱狀態，可提高煤柱的承載能力。

圖3 煤柱內的應力演化特征

煤柱承載狀態主要受動載大小、承載時間、煤柱尺寸以及支護結構的影響，綜放開采中，由于采出空間較大，采空區不能被冒落矸石有效充填，因此其煤柱所受動載相對較大，承載時間主要受工作面推進速度的影響，綜放開采推進速度相對較慢，因此煤柱承載時間較長，煤柱尺寸直接影響其承載能力，煤柱較窄時，煤柱不足以承載相應負荷，煤柱較寬時，造成煤炭資源的浪費，支護結構可以改善煤體力學參數，強化煤柱強度和承載能力，約束煤柱變形。

3 沿空巷道窄煤柱強控機理與技術

采用窄煤柱護巷時，煤柱處于殘余支承應力范圍，其煤柱均為破碎區和塑性區，此時煤柱極易發生大變形，但是由于煤柱的特殊應力環境，煤柱內中性面具有一定的承載結構，若能提高中性面的承載能力和寬度，則可實現窄煤柱的穩定。

根據龐龐塔10-704工作面生產地質條件，針對性提出沿空巷道窄煤柱強控技術，主要包括實煤體幫刷擴+局部強控技術、窄煤柱幫錨索梁強控技術，具體參數如下：

1）實煤體幫刷擴和局部強控技術：刷去實煤體幫現有支護，并刷擴1.0 m厚的煤幫，增加巷道尺寸以滿足服務要求，同時進行錨桿、錨索支護，錨桿采用?22 mm、L 2 500 mm的左旋螺紋鋼高強錨桿，間排距1 000 mm×800 mm，上部和下部錨桿與幫部呈15°夾角，頂幫角位置向頂板施工1根高強錨桿，錨桿與頂板呈75°夾角，錨索采用規格為?21.8 mm、L 5 300 mm的鋼絞線，間排距1 400 mm×1 600 mm，上部和下部錨索與幫部呈30°夾角，距幫部400 m位置，向頂板施工1根單體錨索，錨索與頂板呈60°夾角，具體參數如圖4所示。

圖4 實煤體幫局部強控參數

2）窄煤柱幫錨索梁強控技術：采用預應力錨索+工字鋼、錨桿+W鋼帶實現煤柱幫強控，預應力錨索規格為?21.8 mm、L 5 300 mm，工字鋼規格11號礦用工字鋼，間排距1 600 mm×2 400 mm，錨索與幫部呈30°夾角，采用規格為?22 mm、L 2 500 mm的左旋螺紋鋼高強錨桿，間排距1 000 mm×800 mm，具體參數如圖5所示。

圖5 窄煤柱幫錨索梁強控參數

4 現場應用分析

開發的沿空巷道窄煤柱強控技術應用于10-704工作面正巷，提高了工作面推進速度，工作面推進較慢時（每天1.6 m以下），超前影響范圍達80 m，臨近工作面區域兩幫移近速度超過250 mm/d，直接影響到工作面的正常回采；工作面推進較快時（每天3.2 m以上），超前影響范圍在30 m左右，臨近工作面區域兩幫移近速度約為190 mm/d，移近速度同比降低24%，這是由于超前支承壓力隨工作面的推進向前移動；工作面推進較慢時，巷幫煤體受應力持續擾動，變形不斷加大。

采用沿空巷道窄煤柱強控技術之前，工作面推進速度緩慢，工作面端頭附近巷幫變形量在1 000 mm以上，超前工作面30 m位置巷幫變形量在600 mm左右；采用沿空巷道窄煤柱強控技術之后，工作面推進速度有效提高，工作面端頭附近巷幫變形量在500～800 mm以上，超前工作面30 m位置巷幫變形量在300 mm左右，變形量同比降低近50%。

5 結論

厚煤層沿空巷道易產生大變形現象，本文以龐龐塔礦10-704工作面正巷為試驗巷道，總結分析了試驗巷道變形破壞特征，揭示了沿空巷道煤柱變形失穩機理，指出動載大小、承載時間、煤柱尺寸以及支護結構是影響煤柱承載性能的關鍵因素，據此開發了厚煤層沿空巷道窄煤柱強控技術，現場應用驗證強控技術的優越性，具有重要的研究意義。