團柏煤礦孤島工作面大斷面煤巷沿空掘巷技術應用研究

孫永永

（霍州煤電集團團柏煤礦，山西 霍州 031400）

1 工程概況

團柏煤礦的10-3041綜采工作面開采的煤層為石炭系太原組10#煤層，屬于穩定可采厚煤層，結構復雜，中部和中下部均有夾矸，煤層厚度3.20～4.30m，平均為3.9m，煤層頂底板特征見表1。工作面位于南三下組煤采區左翼，西北側10-3040工作面正在回采，南部和東部均為相鄰采區的邊界，并且均以回采完畢，故即將進入準備階段的10-3041工作面為孤島工作面。

表1 頂底板特征表

該礦的孤島工作面開采時，留設的區段煤柱寬度均在15m以上，雖然能保證巷道的穩定，但是造成資源的大量浪費，隨著巷道支護工藝技術的提升，以留設區段小煤柱為代表的沿空掘巷技術應用較為成熟，故現對該工作面進行留窄煤柱沿空掘巷工藝進行設計研究，以獲得更好的經濟效益[1]。

2 區段煤柱合理寬度的確定

沿空掘巷是指沿著已經穩定的采空區邊緣或與采空區之間留窄煤柱掘進巷道。巷道掘進時，相鄰的工作面已經開采完畢，采空區壓力已經基本穩定，在應力降低區進行巷道的開掘，巷道易于維護。留窄煤柱沿空掘巷最關鍵的問題就是合理的煤柱寬度，寬度太大，造成資源的浪費，煤柱支承壓力屬于支承壓力影響區，煤柱易片幫形變；寬度偏小則不能有效地密閉采空區，都會造成適得其反的效果。開展沿空掘巷覆巖破斷特征研究，掌握覆巖破斷結構的關鍵參數，是確定煤柱合理寬度的前提[2～3]。由于相鄰的工作面已經回采完畢，采空區頂板圍巖破碎冒落，老頂破斷形成大的巖塊，相互鉸接形成穩定結構，留窄煤柱巷道周圍巖體的破斷碎裂情況可以簡化為如圖1所示的結構模型。

圖1 沿空掘巷上覆巖層大結構模型

10-3041孤島工作面兩側均為采空區，準備巷道采掘時保護煤柱的另一側為采空區，相鄰工作面巷道的掘進及工作面的回采均會影響煤柱的穩定性，在煤柱內形成破碎區和塑性變形區，窄煤柱的最小寬度要求滿足使巷幫錨桿發揮其支護性能，因此窄煤柱應當保有一定寬度的完整煤巖體，避免煤柱兩側的破碎區貫通，使錨桿的作用大大降低。

圖2 合理煤柱寬度計算模型

煤柱寬度的構成如圖2所示。通過對以往窄煤柱沿空掘巷頂板壓力狀況的分析和總結，在確保巷道圍巖變形量不會太大的前提下，提出應用以下公式進行煤柱寬度的計算：

式中：B為窄煤柱的合理寬度，單位：m；xl為上個工作面采空區側煤巖體塑性區的寬度，單位：m；x2為巷幫錨桿長度，取2～2.4m；x3為動載系數，按照經驗取（0.15～0.35）（xl+x2）；

式（1）中的x1計算公式如下：

式中：m為煤層厚度，2.3m；A為側向壓力系數，A=μ/1-μ，其中μ為泊松比，取0.56；φ0為內摩擦角，取 49.6°；C0為粘聚力，取 1.90MPa；k 為應力集中系數，取2；γ為覆巖平均容重，取0.25MN/m3；H為埋深，為594m；Px為對煤幫的支護力，若相鄰工作面巷道支護已經拆除取Px=0，若是錨桿支護，取0.3；

將團柏煤礦10-2041工作面具體的數據帶入式（2）可得，上區段工作面開采在窄煤柱臨空側產生的塑性區寬度x1=4.89m，

則煤柱合理寬度：

經過以上的分析和計算，初步認定煤柱的寬度應該在6.5～9.5m之間，由于10#煤層煤質較軟，為了充分保證巷道的穩定，綜合考慮圍巖的受力狀況及頂板圍巖的受力特征，煤柱寬度定為10m。

3 10-3041孤島工作面沿空掘巷多層次支護技術

10-3041工作面一側為采區邊界，工作面軌道巷一側為邊界煤柱，一側為實體煤，邊界保護煤柱寬度為20m，采用該礦常用的錨網索支護即可。而10-3041工作面運輸巷一側為窄煤柱，一側為實體煤，根據該工作面巷道圍巖的具體特征，對沿空掘巷巷道的支護體系進行設計。

3.1 頂板支護的加強

根據團柏煤礦10-3041工作面回采巷道頂板的具體條件：頂板跨度大、直接頂強度較低、層間含有較多軟弱夾層等。因此將頂錨桿由原來的φ18×1800mm左旋無縱筋螺紋鋼筋錨桿改進為φ22×2200mm左旋無縱筋螺紋鋼筋錨桿，托盤采用規格為140×250×10mm碟形鋼托盤，配置調心球墊及減磨墊圈，每排布置6根錨桿，間距和排距均為0.8m，兩側肩窩處的錨桿向兩側傾斜布置，與垂直方向的夾角15°，中間的4根錨桿均垂直于巷道頂板，每根使用樹脂錨固劑MSZ23/80一條，預緊力矩不小于 250N·m，錨桿外露 10-50mm。頂板鋪4200×1200mm由10#鐵絲編織而成的金屬網，兩側各留100mm與幫網搭接，每隔200mm用14#聯網絲雙股連接一道，每道不少于3圈，網與網搭接，搭接長度100mm，上3800×80mm的鋼筋托粱，用12#鋼筋焊接而成。錨索選用1×7股高強度低松弛預應力鋼絞線φ21.6×7200mm，采用300×300×16mm碟形托盤，配套調心球墊及鎖具。每根使用樹脂錨固劑MSCK23/60、MSZ23/80各一支，錨索初始張拉力為40MPa，外露150～250mm。錨索在巷道頂板中間對稱布置兩根，間排距為1600×800mm。

3.2 幫部支護的調整

幫部錨桿由原本的φ16×1600mm的圓鋼錨桿調整為φ22×2200mm的螺紋鋼錨桿，托盤采用規格150×150×10mm的拱形方托盤，配置調心球墊及減磨墊圈，每排為5根，中間三根垂直巷幫，上部靠近頂板處的錨桿向上傾斜15°，靠近底板的錨桿水平向下傾斜15°，錨固劑選用MSZ23/80樹脂錨固劑，錨桿間排距由原本的1200×1000mm改為800×800mm。每側布置兩根錨索，煤柱側采用17.8×4200mm的礦用錨索，實體煤側采用17.8×7200mm的長錨索，每根使用樹脂錨固劑MSCK23/60、MSZ23/80各一支，預緊力矩不小于150N·m，外露10-50mm。要求上部錨索距頂板600mm，下部錨索距底板1500mm，兩幫均鋪的2000×1200mm的塑料網改為4000×1000mm的菱形金屬網，錨桿鋼筋梯子梁尺寸為2050×70mm。

經過加強支護設計后，10-3041工作面運輸巷圍巖的支護結構詳細情況如圖3所示，在安裝錨索位置處焊接兩段縱筋，在錨桿排距之間鋪設鋼筋網型號為GW6.5/100-2.3×1.35，防止小塊煤巖體的掉落，在巷道兩個頂角處錨桿采用斜打頂角錨桿，抑制巷道的形狀扭曲，錨桿、長錨索及短錨索形成連續的預應力結構共同承載，最終達到保證圍巖的長期穩定的目的。

圖3 “錨網索梁”聯合支護示意圖

4 現場應用及效果分析

4.1 沿空掘巷施工過程中頂板離層處理程序、要求、措施

1）每班的頂板監測責任在現場發現監測數據異常要及時向領導匯報，值班人員及時向生產技術科礦壓監測組進行反饋。

2）在觀測過程中，若發現離層值進入危險區內時，應由礦總工程師召集有關科室分析原因，并及時采取相應的安全措施。

3）在觀測過程中，若發現離層值進入警戒區時，要停止掘進，立即向生產科礦壓監測組進行匯報，并對該離層儀前后20m范圍內及時補打錨桿或錨索的措施進行加固，同時及時與設計部門聯系對錨桿設計參數進行修改。

4）非正常情況時（如頂板離層達到警戒位置或班下沉速度異常）必須每班監測分析。分析結果必須經生產科長簽字后報生產礦長、總工程師；并將領導批示及時報送安全科、調度室及施工隊組主要領導。礦總工程師要組織分析查明原因，及時采取相應措施。

5）區隊收到生產科下發的加強支護或改變支護通知單時，由隊組生產技術員根據分析結果編制專項安全技術措施，進行加強或補強支護。

4.2 支護效果分析

通過對于合理煤柱寬度的確定及支護結構的優化，在團柏塔礦10-3041綜采工作面運輸巷，進行了留窄煤柱沿空掘巷的現場應用實驗，煤柱寬度為10m，采用上述的“錨網索梁”聯合支護，為了考察煤柱寬度的合理性及支護的效果，在10-3041工作面運輸巷內設置觀測站對巷道的變形量進行觀測，統計分析結果如圖4所示，在距工作面60m范圍內兩幫移進量增長速度較快，而后兩幫趨于穩定，最大移進量為240mm，頂底板下沉量及底板底鼓量都比較小，基本不影響工作面生產的正常進行，在現場取得了良好的應用效果。

圖4 10-3041運輸巷圍巖位移觀測結果

5 結論

經過理論計算，確定煤柱寬度為10m，結合10-3041工作面詳細地質情況，對支護參數進行設計，在施工過程中，密切監測巷道圍巖的穩定情況，采取適當的組織、安全、應急等措施，最終成功應用了沿空掘巷技術進行團柏煤礦孤島工作面的開采，取得了良好的經濟效益。