沿空掘瓦斯抽排巷合理煤柱留設尺寸研究與應用

韓鵬

（汾西礦業集團賀西煤礦 山西 柳林 033300）

0 引言

沿空掘巷技術已有較長時間的應用歷史，相比留設較大的區段保護煤柱，沿空掘巷可以大幅度減小煤柱尺寸，減少資源損失，同時可以有效避開工作面側向支承壓力的集中載荷，有利于巷道圍巖控制。沿空掘巷技術優勢能否充分發揮，很大程度上取決于煤柱的尺寸是否合理，煤柱過大或過小都可能造成巷道圍巖支護困難，甚至導致沿空掘巷失敗。針對沿空掘巷煤柱尺寸的留設問題，煤礦科研人員與技術人員進行了大量研究及實踐，例如有學者通過建立沿空掘巷的圍巖結構模型，并進行力學分析計算，對工作面側向支撐壓力的升壓區進行確定，從而將巷道布置在應力降低區，能夠較合理的指導煤柱尺寸的設計；也有學者借助UDEC、FLAC 等數值模擬軟件，建立多個巷道開挖數值模型，分析不同煤柱尺寸下巷道圍巖的應力場及位移場區別，從而選擇更合理的煤柱尺寸；也有學者在沿空掘巷后進行了持續全面的礦壓觀測，分析巷道圍巖變形破壞特征，對巷道圍巖支護方案進行優化，使支護方案更好的適應圍巖條件[1-4]。以8304工作面沿空掘瓦斯抽排巷為工程背景，對其煤柱尺寸進行合理設計，并進行工程實踐，為相似條件下巷道圍巖控制提供借鑒。

1 研究背景

8304 工作面主采8#煤層，位于整體向斜構造的一翼，煤層結構較穩定，為常規的傾斜煤層，平均煤層傾角5°，煤層平均埋深135 m，煤層平均厚度12.66 m，共分4層進行回采。8304工作面可采走向長度1 200 m，傾向長度200 m，采用走向長壁后退式綜合機械化采煤法，8304 工作面與鄰近的8302 工作面之間設計留30 m區段煤柱。煤層頂底板（巖性見表1）均為較軟弱的泥巖或砂質泥巖，對采掘工作圍巖控制不利。

表1 煤層頂底板特征表

由于8304工作面絕對瓦斯涌出量達到65 m3/min，需要布置一條專用的瓦斯抽排巷，根據分層采掘的地質生產條件，該條瓦斯抽排巷只能布置在區段煤柱內，30 m的煤柱將被該條巷道分開成寬煤柱及窄煤柱或均分為兩部分。如何更加合理的確定巷道在煤柱中的位置，即更合理的設計沿空掘巷窄煤柱的尺寸，使巷道能處于一個更加有利的應力環境，成為我們研究的工作重點。

2 沿空掘巷圍巖應力環境分析

2.1 沿空掘巷應力環境概況

根據沿空掘巷的地質生產參數，繪制沿空掘巷的圍巖結構模型，如圖1 所示，瓦斯抽排巷的掘進，將整個區段煤柱分割為寬煤柱及窄煤柱兩部分。若要確定掘巷的合理位置，需要對巷道圍巖的應力環境進行分析。由于工作面區段煤柱承受一側采空區側向支承壓力及另一側工作面采掘工作的應力疊加，是較為突出的應力集中區，但由于煤層老頂的破斷，破斷后的巖塊會在采空區及煤柱內形成兩個突出的承載點，兩個承載點之間將存在一個應力較低區域，如果在煤柱中再掘進一條巷道，勢必會造成應力環境的變化，首先需要對煤柱的承壓和破壞情況進行分析，設計使用打設鉆孔并對鉆屑量進行測試分析的研究方法。

圖1 沿空掘巷圍巖結構模型

2.2 煤柱內承壓破壞情況實測研究

設計在8304 工作面回風順槽內超前工作面約20 m～30 m 處打設1#鉆孔，用來測試工作面超前區域的側向支承壓力情況；設計在8304下分層工作面的回風順槽內打設2#及3#鉆孔，鉆孔間隔50 m，滯后8304 工作面100 m及150 m，測試采空區覆巖結構穩定后的側向支承壓力分布情況。鉆孔規格為?42 mm 孔徑，15 m孔深，在打鉆過程中，使用鉆屑法進行鉆屑量的統計測試，在鉆孔完成后，使用內窺儀進行內部監測。

（1）鉆屑法實測研究。鉆屑法的工作原理是根據打鉆不同深度時排出的鉆屑量及其變化規律來判斷煤柱內應力集中情況，一般情況下，支承壓力越大，煤柱破碎程度越高，鉆屑量越多[5]，統計所得三個鉆孔的鉆屑量對比分析情況如圖2 所示。可以看出，1#鉆孔的峰值點出現在距孔口5 m 處，2#、3#鉆孔的走勢基本一致，峰值點出現在距孔口8 m處，鑒于分層開采的多次應力擾動作用，區段煤柱邊緣進一步壓碎，壓力峰值點將進一步向深部轉移約2 m～3 m。孔口至峰值點之間則出現了一個應力降低區，2#、3#鉆孔的應力降低區出現在距孔口5 m～7 m處。

圖2 鉆孔鉆屑量對比分析圖

（2）鉆孔內窺法實測研究。鉆孔內窺法的應用，能夠直觀的將煤巖體內部的破壞情況進行展現，對研究工作有很大促進作用。以2#鉆孔為例，鉆孔內窺結果顯示，距孔口約3.5 m的范圍內，即煤柱的邊緣區域，煤體破碎程度較高，趨向于完全的破碎狀態，喪失承載能力；距孔口5.2 m處，孔內煤體發生塑性破壞，距孔口5.7 m 處，煤體的完整性較好，孔壁較光滑，距孔口6.4 m 處，孔壁的破碎程度稍高，在距孔口7.7 m 以外，鉆孔內壁的破碎度明顯升高，進入壓力承載區。

（3）根據鉆屑法及內窺法實測研究結果，結合經典的采場覆巖運移規律及礦壓理論，分析可得：當工作面回采過后，頂板在工作面走向及傾向方向上均會發生規律破斷，走向破斷會形成周期來壓，傾向破斷則會形成側向支承壓力，結合礦井地質生產條件、采掘經驗及實測結果，認為傾向方向上，老頂的破斷距離約為7 m，即老頂深入煤柱以內7 m 處發生破斷，破斷距以內為壓力較低的內應力場，以外為壓力較高的外應力場，將巷道布置在內應力場內，可以有效規避集中應力的載荷。因此，設計留設5 m 的窄煤柱進行瓦斯抽排巷的掘進，有利于巷道圍巖的控制。

3 工業性試驗及效果分析

根據設計方案，留設5 m 窄煤柱進行瓦斯抽排巷的掘進。瓦斯巷沿煤層頂板掘進，采用矩形斷面，巷道規格為4 m×2.5 m。同時，根據礦井地質生產條件、采掘經驗進行巷道支護方案的設計，設計采用錨網索聯合支護方案，巷道支護設計參數表如表2所示，具體參數不再贅述。

表2 巷道支護設計參數表

按照所設計的支護方案對巷道實施支護后，著重加強了巷道表面位移觀測及支護效果觀測。在30 d的礦壓觀測周期內，巷道頂板下沉量累計達到155 mm，未觀測到頂板明顯離層及頂板漏冒、墜網現象；巷道兩幫移近量累計達到133 mm，鼓幫現象得到較好控制，局部變形稍大，但整體處于穩定狀態，金屬網未出現破碎。在8304工作面回采過程中，當巷道進入工作面超前支承壓力影響范圍后，巷道圍巖變形量再次出現一次迅速增長期，礦方及時在巷道中部補打一排單體液壓支柱+Π型鋼梁進行支護，保障了巷道正常使用及工作面安全回采。

4 結束語

沿空掘巷相比沿空留巷有其特殊之處，沿空留巷完全無煤柱，重點在于充填墻體的寬度設計及巷道支護方案的設計，而沿空掘巷的重點在于窄煤柱尺寸的設計，窄煤柱尺寸設計合理，就能有效躲避側向支承壓力的影響，達到事半功倍的效果。本文基于8304工作面沿空掘進專用瓦斯抽排巷的具體地質生產條件，在鉆屑法及內窺法實測研究結果的基礎上，設計留設5 m 窄煤柱進行沿空掘巷，配以合理的錨網索聯合支護方案，成功進行了工業性試驗及礦壓觀測，驗證了窄煤柱留設寬度及支護方案的合理性，實現了預期的研究目的。