近距離采空區下窄煤柱沿空掘巷圍巖控制技術

程應天

（山西煤炭運銷集團金達煤業有限公司，山西 呂梁 032300）

無煤柱[1]、小煤柱[2]開采可提高煤炭資源回收率，是煤礦企業實現綠色、可持續發展的重要技術方法，得到了廣泛的推廣應用，廣大煤礦技術人員也做了大量的研究[3-4]。

1 工程概況

金達煤業現開采10 號煤層，平均埋深390 m。10 號煤層厚為6.0 m，含多層夾矸，煤層相對穩定。10 號煤層采用綜放開采，煤層頂板為炭質泥巖和砂質泥巖，之上為9 號煤采空區，9、10 號煤層間距為6.9～12 m。10402 工作面位于井田東南部的四采區，為10 號煤層第二個工作面。工作面長175 m，采用一進一回的通風方式，工作面順槽為矩形斷面，沿煤層底板掘進。運輸順槽凈寬4.5 m，凈高2.8 m，已掘進完畢；回風順槽凈寬3.5 m，凈高2.8 m，正在掘進。10402工作面回風順槽南部為10401工作面，10402工作面回風順槽沿10401工作面采空區掘進。由于上部9 號煤層已采空，工作面寬150 m，區段煤柱寬10～15 m，10 號煤層工作面處于采空區下方，且9、10 號煤層工作面布置方向互相垂直（圖1），10402 回風順槽在掘進期間多次通過上覆煤柱應力集中區，巷道圍巖控制難度較大。10 號煤層最大水平主應力9.47 MPa，最小水平主應力5.57 MPa，垂直應力5.53 MPa，在量值上屬于低值應力區。

圖1 工作面布置示意圖

2 采動應力影響分析

2.1 上部煤層回采對下部煤層應力影響

按照9 號煤層工作面布置及開采情況，分析其采空區及煤柱下方垂直應力分布，分析其采動應力對10 號煤層垂直應力分布的影響，如圖2。

圖2 9 號煤層開采后10 號煤層垂直應力曲線

區段煤柱寬度分別為10 m、15 m 時，在區段煤柱下方10 號煤層的垂直應力分別為14.75 MPa、15.09 MPa，不同寬度區段煤柱一側所形成的應力增高區范圍約為10 m。采空區下方的垂直應力為9.24 MPa，略低于10 號煤層的原巖應力9.75 MPa。9 號煤層采空對10 號煤層的主要影響為區段煤柱下方的圍巖應力增大，不利于巷道的支護。因此，在掘進10 號煤層巷道時，巷道在進出煤柱10 m 范圍時，應特別注意巷道圍巖應力增大對巷道的影響，必要時可采取相應的加強支護措施。

2.2 本煤層工作面采動影響

通過數值模擬，分析10 號煤層工作面回采后后方動壓影響范圍和側向煤柱塑性區影響范圍。通過模擬分析可知，10 號煤層工作面后方動壓影響范圍為0～280 m，側向應力峰值距巷幫2.5 m，煤柱采空區側的塑性區破壞深度約為0.5～1.0 m。綜合分析認為留窄煤柱沿空掘巷應滯后工作面300 m 以上。

3 窄煤柱寬度分析

工作面開采后，側向支承壓力呈現先增大再降低至原巖應力的形態，采空區便處于低應力區，利于巷道圍巖穩定。為提高煤炭資源回采率，10402工作面回風順槽巷道采用窄煤柱護巷。

3.1 不同煤柱寬度內應力分析

對5.0 m、5.5 m、6.0 m、6.5 m、7.0 m、8.0 m六種煤柱寬度分別建立數值模型，分析上部煤層采空區和煤柱下方留窄煤柱巷道圍巖應力分布曲線，如圖3。

圖3 10402 工作面回風順槽圍巖的垂直應力分布曲線

通過對比分析可知：（1）窄煤柱內的垂直應力呈現較為明顯的非對稱分布，主要集中在采空區側，距離采空區0～3 m 范圍內應力集中比較明顯；（2）窄煤柱內距離回風順槽0.5～1.0 m 處的垂直應力有輕微的應力集中，在0.5～2.0 m 范圍內的垂直應力逐漸下降并趨于穩定；（3）當煤柱寬為5.0 m 時，煤柱內回風順槽一側的垂直應力集中較為明顯，最大應力出現在距離回風順槽0.75 m 處，距離回風順槽0.75～1.75 m 范圍內的垂直應力明顯下降；隨著窄煤柱寬度的增加，煤柱內回風順槽一側的垂直應力集中顯現逐漸減弱，當煤柱寬≥6.5 m 時，回風順槽側的應力分布較為平緩，有利于回風順槽一側巷道的維護；（4）回風順槽工作幫的垂直應力由巷道表面到煤壁深部呈現先增加后降低并逐漸趨于穩定的趨勢，應力集中出現在距離煤壁0～3.0 m 范圍內，隨著窄煤柱寬度的增加，對應位置的垂直應力逐漸降低。

3.2 不同煤柱寬度塑性區分布

對不同煤柱寬度塑性區分布情況進行分析，如圖4。由圖可見，留窄煤柱沿空掘巷時，煤柱內的塑性區主要分布于上工作面采空區側，且主要位于煤壁及頂煤區域、煤柱內部及新掘順槽表面圍巖。煤柱采空區側煤壁及頂板破壞深度隨著煤柱寬度的增加逐漸減小，當煤柱寬度大于6 m 時，采空區側的頂煤破壞與煤柱內部的塑性破壞區未貫通，煤柱較為穩定，故煤柱寬度應大于6 m。

圖4 窄煤柱內及10402 回風順槽圍巖塑性破壞圖（煤柱下方）

4 圍巖控制技術

4.1 錨桿支護

根據窄煤柱圍巖應力分布及塑性區發育情況，結合礦井地質條件，綜合確定巷道支護參數如下：

（1）采空區下支護

頂板采用高強螺紋鋼錨桿，直徑為22 mm，長度為2400 mm，間排距為800 mm×800 mm，每排5根，垂直頂板打設，預緊力矩不小于300 N.m，采用W 長鋼帶連接，菱形金屬網護表；錨索采用直徑為22 mm、長度6300 mm 的預應力鋼絞線，間排距為1700 mm×1600 mm，每排2 根。工作面巷幫采用直徑22 mm，長度2400 mm 的高強螺紋鋼錨桿，間排距為800 mm×800 mm，每排4 根，垂直巷幫打設，預緊力矩不小于300 N.m，安裝W 鋼護板，采用菱形金屬網護表。煤柱側巷幫錨桿支護參數和護表支護同工作面側巷幫，并采用錨索進行補強，錨索直徑22 mm，長4600 mm，采用“2-1-2”形式布置，排距為1600 mm，每排2 根時，間距1400 mm，下部錨索距底板800 mm，每排1 根錨索時距底板1500 mm。

（2）煤柱下支護

上述分析可知，上部煤柱下方及進出煤柱10 m范圍內均出現應力集中現象，需進行補強支護。在頂板兩排錨索之間補打1 根錨索，位于巷道中部，形成“2-1-2”的錨索布置形式；同時在煤柱側巷幫錨索按照“2-2”形式布置，每排2 根，間距1400 mm，排距1600 mm。

4.2 注漿加固

在窄煤柱沿空掘巷遇圍巖破碎時，需對煤柱進行注漿加固，增加圍巖強度，提高其承載能力。注漿鉆孔采用“2-2”矩形布置，間距1500 mm，排距1600 mm，注漿鉆孔位于煤柱巷幫兩排錨索之間，以利于減小錨索鉆孔漏漿，提高注漿效率。注漿采用水泥水玻璃進行，注漿壓力不小于3 MPa。

4.3 效果

10402 工作面回風順槽在掘進時，為保證巷道安全，巷道掘進過程迎頭滯后10401 工作面350 m以上。巷道分區段采用不同的支護方案，并在部分構造破碎區及時進行注漿加固，實現了巷道掘進安全高效，圍巖變形穩定可控。

5 結語

采用數值模擬方法，分析上部9 號煤層開采后下部10 號煤層應力分布情況，同時分析不同寬度窄煤柱應力分布和塑性區發育情況，確定了金達煤業窄煤柱沿空掘巷寬度為6.5 m。結合數值模擬分析結果，確定沿空掘巷在進出上部煤柱及前后10 m范圍內需進行加強支護。現場觀測表明，分區域采用不同支護方案可有效控制沿空巷道圍巖穩定。