中能煤業沿空掘巷厚煤層小煤柱護巷技術研究

李 權

（晉能控股煤業集團長治公司,山西 長治 046000）

中能煤礦的煤柱寬度一般在20～30 m，由此會造成大量的煤炭資源損失[1]。為了解決煤柱資源浪費和壓力大問題，國內很多學者對沿空掘巷理論和技術進行了研究[2-5]，建立了煤柱尺寸計算方法。以中能煤礦2305 回風順槽小煤柱掘巷為背景，采用理論分析和數值模擬的方法，計算合理的小煤柱寬度，設計了支護方案，通過現場施工和礦壓觀測，驗證了所留設煤柱寬度的可行性和支護方案的有效性，為類似條件下小煤柱沿空掘巷工作提供參考借鑒。

1 概況

中能煤礦開采煤層厚度5.0 m，平均埋深433 m，傾角5°左右。煤層頂板為泥巖和砂巖，底板為泥巖和各粒度砂巖。煤層厚度穩定，結構簡單。直接頂抗壓強度25 MPa，基本頂抗壓強度42 MPa。煤層頂底板情況見表1。

表1 煤層頂底板情況表

2305 工作面北鄰礦井邊界，西側為實體煤，東側為2303 采空區（2020 年8 月回采完畢），2305回風順槽1830 m，南連接三條采區大巷。兩個工作面均采用放頂煤走向長壁采煤法。2305 工作面回風順槽鄰近2303 工作面采空區布置，巷道尺寸5.6 m×3.8 m，沿煤層頂板布置。為提高回采率，計劃留小煤柱，工作面位置如圖1。

圖1 2305 工作面巷道布置平面圖

2 小煤柱合理寬度研究

2.1 小煤柱寬度理論計算

根據圍巖極限平衡理論，如圖2，計算如下：

圖2 小煤柱寬度計算

式中：X1為上區段空區邊緣塑性區域的寬度，由式（2）計算得出；X2為錨桿長度，取2.4 m；X3為煤柱的安全系數，由0.2～0.3（X1+X2）得到。

式中：K為應力集中系數；M為煤層開采厚度；C為煤體的黏聚力；γ為上覆巖層平均體積力；φ為煤體的內摩擦角。

其中，計算采用的力學參數見表2。

表2 計算采用的力學參數

代入式（2），得到X1=3.94 m；X3=1.27～1.90 m；L2的寬度范圍為7.61～8.24 m。

綜上，2305 工作面區段煤柱合理寬度取8 m。

2.2 小煤柱寬度模擬分析

分別模擬6 m、7 m、8 m、9 m 煤柱寬度的應力分布和塑性變化規律，分析4 種條件下煤柱、巷道圍巖應力特征和塑性區范圍。模擬結果如圖3～圖4。

圖3 不同寬度煤柱垂直應力情況

圖4 不同寬度煤柱的塑性區分布

由圖3（a）～（d）可知，在煤柱中央存在彈性區，并且隨著煤柱寬度增大，彈性區范圍增大，應力峰點離采空區越遠，最大支承應力在煤柱中心。當煤柱寬度6 m時峰值為23.78 MPa，集中系數2.23；7 m 煤柱時峰值為20.60 MPa，應力集中系數1.89；8 m 煤柱時峰值為20.12 MPa，集中系數1.83；9 m煤柱時峰值為20.28 MPa，應力集中系數1.92。

當煤柱寬度為6 m 時，塑性區占比61%，煤柱塑性破壞嚴重，穩定性差；7 m 煤柱時，煤柱塑性區占比50%，煤柱支撐能力較弱；8 m 煤柱時，塑性區占比45%，煤柱彈性區占比55%，此時煤柱穩定性較好；9 m 煤柱時，塑性區占比43%，彈性核區占比57%，煤柱穩定性進一步改善，支撐能力強。

通過以上分析，煤柱大于8 m 時，煤柱已具有較好穩定性，可以隔離采空區。

3 巷道支護

3.1 巷道布置方式

2305 回風順槽沿頂板掘進，煤柱寬度不宜小于8 m。2305 回風順槽為矩形斷面，寬5.6 m，高3.8 m，毛斷面積21.28 m2，設計掘進長度1700 m。

3.2 支護方案設計

（1）頂板支護。頂板采用7 根Ф22 mm×2400 mm 螺紋鋼錨桿，間排距850 mm×900 mm，錨固劑采用1 支K2335 和1 支Z2360 樹脂藥卷，配合150 mm×150 mm×12 mm 拱形高強度托盤，錨桿扭矩300 N·m；頂錨桿采用H 鋼帶相連，長度5300 mm，寬度80 mm，經緯金屬網5800 mm×1000 mm。頂錨索選用Ф21.8 mm×7300 mm 的鋼絞線錨索，每排2 根，間距2000 mm，距巷幫1800 mm；每排3 根的錨索間距為1500 mm，距巷幫1300 mm布置在巷道中部，錨索均垂直頂板，“3-2-3”式布置，每根錨索用1 支K2335 和2 支Z2360 樹脂藥卷錨固，使用300 mm×300 mm×16 mm 高強度托板及配套調心球墊，預緊力不小于300 kN。

（2）兩幫支護。采用MSGLW-400/22/2400 螺紋鋼錨桿，煤柱幫布置5 根，間排距850 mm×900 mm。采用1 支K2335 和1 支Z2360 樹脂藥卷錨固，錨桿扭矩300 N·m。煤柱幫上部第1 根錨桿上斜10°打設，其余垂直打設，采用菱形網護幫，連接采用搭接形式，搭接長度為100 mm，鋼筋托梁采用14#圓鋼焊制，規格為長3600 mm，寬80 mm。

為提高護巷小煤柱的穩定性，煤柱側采用錨索補強支護，錨索采用Ф21.8 mm×4300 mm，1×19-1860 型鋼絞線錨索。錨索采用“1-1-1”布置，排距900 mm，一排距離頂板1300 mm，一排距離底板1300 mm，錨索與巷幫垂直。如圖5。

圖5 2305 回風順槽支護方案（mm）

3.3 煤柱破碎段加固措施

由于煤柱尺寸較小，存在煤柱破碎導致采空區漏風的可能。在巷道掘進過程中，遇破碎段需配合注漿加固措施。首先對破碎煤壁進行常規支護，而后在煤壁表面噴50 mm 厚水泥漿材料，標號C20，待噴漿凝固后形成止漿砼。垂直煤壁距底板2 m 處（可根據煤壁破碎位置調整鉆孔高度）打設2 m 深鉆孔注水泥漿材料，鉆孔間距2 m。止漿砼可以有效避免漿液外滲，從而填補煤柱裂隙，并提高煤柱的承載力，控制煤柱變形破壞。注漿加固方案如圖5。

4 效果分析

4.1 礦壓監測分析

為驗證8 m 煤柱穩定性，對2305 回風順槽掘進期間頂板離層和圍巖收縮進行了綜合觀測。巷道內每隔50 m 安裝一個綜合觀測站，并采用“十字布點法”設置了巷道表面位移觀測站，一共設置34個測站。2305 回風順槽掘進期間頂板離層值為零，未發生離層。巷道頂底板變形量最大為62 mm，兩幫變形量最大為220 mm，同樣條件實體煤頂底板和兩幫最大變形量為46 mm 和78 mm。該巷道與實體煤巷道相比，頂底板和兩幫最大變形量分別增加了135%和282%，表現出礦壓顯現劇烈，但整體變形不大，均在接受范圍，在兩幫變形中處于主導地位。在留設8 m 小煤柱配合合理支護的情況下，巷道圍巖穩定性得到了有效控制，取得了良好的工程效果。

4.2 經濟效益分析

中能煤業開展3#煤層小煤柱留巷技術研究，項目實施后，工作面兩側煤柱尺寸由原來的25 m 減小到8 m 左右，縮小煤柱寬度17 m，采高取4.9 m，容重1.42 t/m3，工作面推進長度取1700 m，按0.93回采率計算，多回收19.5 萬t 煤炭，可提高經濟效益4875 萬元，經濟效益顯著。

5 結論

（1）根據工作面頂板巖層運動特征和巖性特點，綜合分析小煤柱巷道圍巖的穩定性。通過理論分析和數值模擬，分析不同煤柱寬度巷道圍巖應力和塑性變化特點，確定了2305 回風順槽煤柱合理寬度為8 m。

（2）設計8 m 煤柱巷道的支護方案，巷道整體采用錨網進行支護，頂板采用長錨索和高強度錨桿加強支護，煤柱側采用短錨索配合W 鋼帶進行補強支護，破碎煤柱采用噴漿和注漿加固措施，并在現場進行了成功的應用。

（3）施工后，通過礦壓監測，小煤柱頂板未發生離層，巷道頂底板變形量最大為62 mm，兩幫收縮量最大220 mm，巷道變形量小，不影響正常使用，支護強度滿足安全使用要求，驗證了8 m 煤柱能夠保證其穩定性。

（4）2305 工作面第一次采用8 m 煤柱掘進，多回收煤柱資源19.5 萬t，提高了采區回采率，為今后合理留設煤柱提供參考。