窄煤柱沿空掘巷技術(shù)的試驗與應(yīng)用

翟旭宏

（陽煤集團和順新大地煤業(yè)有限公司，山西 晉中 032700）

1 引言

根據(jù)采煤方法和開采地質(zhì)條件不同，工作面區(qū)段煤柱留設(shè)寬度一般為20～30m。近年來，隨著礦井資源的快速減少和煤炭市場經(jīng)濟價值的增加，有效地提高資源回收率，已成為降低生產(chǎn)成本、增加經(jīng)濟效益的關(guān)鍵所在。窄煤柱沿空掘巷技術(shù)近年來發(fā)展迅速，施工技術(shù)已經(jīng)成熟，在我國的潞安、兗州等許多礦區(qū)得到成功應(yīng)用，現(xiàn)已被集團公司列為建設(shè)現(xiàn)代化礦井的推廣技術(shù)之一。陽煤集團公司牽頭和中國礦業(yè)大學(xué)等科研院所合作，各礦抽調(diào)專業(yè)技術(shù)人員組成試驗團隊，首先在一礦十二采區(qū)81205工作面回風(fēng)巷開展了窄煤柱沿空掘巷技術(shù)，取得了成功。

2 巷道地質(zhì)概況

一礦十二采區(qū)81205工作面地面標高1050～1275m，工作面標高678.5～709.6m。本工作面井下位于北條帶十二采區(qū)東部，本工作面西部為81204工作面（已采），南部為采區(qū)輔助準備巷，東部為81206工作面（未掘），北部為礦井田邊界。本工作面為相鄰采空區(qū)工作面。

工作面煤層賦存穩(wěn)定，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，煤層總厚度最大7.50m，最小7.20m，平均厚度7.33m，煤層傾角最大14°，最小3°，平均6°。煤塵無爆炸危險性，具有自燃傾向性，煤層自燃性為（三級）不易自燃煤層。

工作面老頂為灰黑色石灰?guī)r，厚度8.65m，夾兩層黑色泥巖；直接頂為灰黑色泥巖，厚度1.30，致密，性脆；直接底為深灰色砂質(zhì)泥巖，厚度5.04m；老底為淺灰色細粒砂巖，厚度1.96m，堅硬。

3 窄煤柱沿空掘巷分析及方案制定

窄煤柱是沿空掘巷圍巖的一個重要組成部分，其穩(wěn)定性直接影響巷道整體穩(wěn)定性。根據(jù)礦壓觀測和開采分析，十二采區(qū)81205工作面地質(zhì)情況簡單，工作面煤質(zhì)硬度較高，承壓能力較強，地質(zhì)條件適合窄煤柱沿空掘巷技術(shù)應(yīng)用，同時根據(jù)沿空掘巷受力模型分析，上區(qū)段工作面回采，在采空區(qū)邊緣形成側(cè)向支撐壓力，采空區(qū)邊緣煤體形成破碎區(qū)和塑性區(qū)，承載能力降低，但由于沿空掘巷在基本頂弧形三角塊結(jié)構(gòu)的保護下，處于應(yīng)力降低區(qū)，如圖1所示，因此，巷道掘進對窄煤柱不會產(chǎn)生大的影響。但考慮到窄煤柱可能發(fā)生煤柱壓裂，造成采空區(qū)有害氣體滲漏和空氣對流引發(fā)采空區(qū)著火，經(jīng)過數(shù)值模擬分析，并結(jié)合工程實踐經(jīng)驗，決定將工作面區(qū)段煤柱由原設(shè)計寬度20m合理縮窄至12m。

圖1 81205工作面回風(fēng)巷沿空掘巷受力模型

4 工作面巷道布置及支護設(shè)計

4.1 工作面巷道布置

工作面共布置四條巷道：進風(fēng)巷、回風(fēng)巷、低抽巷、走向高抽巷。工作面回風(fēng)巷與相鄰已采工作面進風(fēng)巷間區(qū)段煤柱寬12m，如圖2所示。

圖2 81205工作面巷道布置圖

4.2 巷道支護設(shè)計

支護理論上采用“三高一低”原則即高強度、高剛度、高可靠性與低支護密度原則。在保證支護系統(tǒng)可靠性的條件下，降低支護密度，減少單位面積上錨桿數(shù)量，提高掘進速度。回風(fēng)巷沿煤層底板布置，巷道斷面為矩形5×3m2，巷道支護采用錨網(wǎng)支護，見圖3巷道支護布置圖，頂支護方式采用“波紋鋼帶+錨索+金屬網(wǎng)”聯(lián)合支護，每排布置5根Ф21.6×7200mm錨索，錨索預(yù)緊力300kN；幫支護采用“錨索+金屬網(wǎng)”聯(lián)合支護，每排布置3根Ф17.8mm錨索，錨索預(yù)緊力230kN。

5 巷道礦壓觀測及應(yīng)用分析

5.1 礦壓觀測

為了觀測81205回風(fēng)巷在掘進期間、掘后穩(wěn)定期間的圍巖活動規(guī)律，考察錨桿支護巷道圍巖變形的控制效果，研究窄煤柱沿空掘巷的合理性，在巷道掘進過程中設(shè)置相應(yīng)的測站，對圍巖表面位移、圍巖深部位移、頂板離層狀況、錨桿、錨索載荷進行了觀測，巷道掘進期間監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示：

（1）隨著巷道支護時間的加長煤體破壞范圍及移動量都會明顯增加，頂?shù)装逑鄬ξ灰屏窟_到70～200mm，兩幫相對移近量達到了30～90mm，巷道移近量較小，且頂?shù)装逑鄬ξ灰浦饕獊碜杂诘坠摹?/p>

（2）錨索載荷變化不大，錨索壓力初始值在20MPa左右，最大值25MPa，壓力隨時間變化相對平穩(wěn)，說明巷道壓力不大，整體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，另一方面說明設(shè)計支護承載力極大提高，支護效果較好。

（3）頂板深部、淺部離層變化量很小，淺部離層量在1～3mm，深部離層量在2～4mm，錨固范圍內(nèi)總離層值為2～6mm，這說明錨索錨固在穩(wěn)定的老頂石灰?guī)r中，對頂板的控制起到了關(guān)鍵的作用，預(yù)應(yīng)力錨索加固了頂板，有效地控制了錨固范圍內(nèi)煤巖的離層。

圖3 巷道支護布置圖

5.2 應(yīng)用分析

通過現(xiàn)場施工和巷道礦壓觀察數(shù)據(jù)綜合分析，在81205回風(fēng)巷采用12m窄煤柱沿空掘巷技術(shù)掘進可以得出：

（1）巷道基本上避開了高應(yīng)力區(qū)，掘進受礦山壓力因素影響作用不大，煤體礦壓裂隙較少；巷道掘進結(jié)束統(tǒng)計巷道破壞率不到5%，巷道表面收縮率最大9%，平均5.3%，基本符合設(shè)計要求。

（2）在巷道受鄰近采空區(qū)影響，煤體整體性受到一定程度破壞，強度降低的情況下，采用“三高一低”支護方法來提高支護強度，有效地改善了圍巖受力狀態(tài)，提高了煤體的整體性和結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。

（3）窄煤柱沿空掘巷技術(shù)改變了相鄰采空側(cè)巷道治理困難、無法有效支護的局面，解決了采空區(qū)側(cè)巷道由于礦壓顯現(xiàn)明顯而嚴重制約掘進施工安全和生產(chǎn)效率的問題。

（4）每年需回采4個工作面，采用窄煤柱沿空掘巷技術(shù)后每年可多回收煤炭資源40萬t，按綜合售價300元/噸計算，可增加經(jīng)濟效益1.2億元。

6 結(jié)語

窄煤柱沿空掘巷技術(shù)的現(xiàn)場應(yīng)用，不僅有效提高了礦井資源回收率，大大增加了礦井的經(jīng)濟效益，而且改善了相鄰采空側(cè)巷道的受力狀況，解決了一礦相鄰采空側(cè)巷道治理困難、無法有效支護的難題，同時對下一步開展窄煤柱穩(wěn)定性研究和推廣應(yīng)用具有重要的指導(dǎo)意義。