隆博煤業2-508 回風巷窄煤柱沿空掘巷技術研究與試驗

甄向宇

（霍州煤電宏大隆博煤業，山西 臨汾 042101）

窄煤柱沿空掘巷是將下工作面回采巷道布置在臨近上工作面采空區后形成的應力降低區，窄煤柱沿空掘巷不但可以改善巷道應力環境，有利于巷道維護，而且提高了煤炭資源回收率，因此，窄煤柱沿空掘巷成為工作面回采巷道常見的一種方式。大量研究表明，合理的煤柱寬度是保證沿空掘巷圍巖穩定性的關鍵因素之一，目前，沿空掘巷煤柱寬度普遍在3～10 m 范圍內[1-3]。本文以隆博煤業2-508回風巷為工程背景，采用數值模擬的方法，分析不同煤柱寬度下巷道圍巖應力及頂板下沉規律，從而合理確定窄煤柱寬度。基于此，試驗了窄煤柱沿空掘巷，為類似工作面回采巷道沿空掘巷提供借鑒。

1 工程背景

2-508 工作面位于830 m 水平五采區，開采2#下煤層，開采區域工作面標高656～786 m，地面標高1150～1326 m。本工作面北部為2-510 采空區，東部緊挨河吉高速公路實體煤區域，南部為設計2-506 工作面實體區域，西部為2#下三條開拓大巷（運輸巷、軌道巷、回風巷），其上覆為2#上煤層部分不可采實體區域。采掘工程平面示意圖如圖1。本工作面煤層總體比較穩定，厚度在3.4～4.2 m之間，均厚為3.8 m，平均夾矸0.3 m，煤層傾角0°～12°，均厚為6°，煤層結構簡單。工作面基本頂為細粒砂巖，厚度5.4 m，堅硬；直接頂為粉砂巖，厚度3.9 m，堅硬；偽頂為泥巖，厚度1.3 m，松軟；直接底為泥巖，厚度1.4 m，松軟。為改善巷道應力環境，增加煤炭資源的回收， 2-508 回風巷設計采用窄煤柱沿空掘巷技術。

圖1 2-508 工作面采掘工程平面示意圖

2 窄煤柱沿空掘巷煤柱寬度的確定

合理的煤柱寬度是保證沿空掘巷圍巖穩定性的關鍵因素之一[4-5]。以2-508 回風巷生產地質條件為工程背景，采用數值模擬的方法，分析不同煤柱寬度（4 m、6 m、8 m、10 m）下巷道圍巖應力及頂板變形規律，從而合理確定2-508 回風巷窄煤柱寬度。

圖2 給出了不同煤柱寬度（4 m、6 m、8 m、10 m）下巷道幫部應力分布曲線圖。由圖可知，巷道實煤體幫和煤柱幫內應力均呈單峰分布。煤柱寬度為4 m 時，巷道實煤體幫應力峰值22.5 MPa，煤柱幫應力峰值5.5 MPa；煤柱寬度為6 m 時，巷道實煤體幫應力峰值22.0 MPa，煤柱幫應力峰值8.3 MPa；煤柱寬度為8 m 時，巷道實煤體幫應力峰值19.7 MPa，煤柱幫應力峰值11.0 MPa；煤柱寬度為10 m 時，巷道實煤體幫應力峰值17.2 MPa，煤柱幫應力峰值23.2 MPa。煤柱寬度為4 m、6 m 時，煤柱內應力峰值小于原巖應力，煤柱均處于破碎區，承載能力較弱；煤柱寬度為10 m 時，煤柱內應力集中系數2.5，煤柱內應力較高，易出現失穩現象；而當煤柱寬度為8 m 時，煤柱存在小范圍的應力集中，其具備承載能力，通過一定的支護手段，可實現窄煤柱的穩定控制。

圖2 不同煤柱寬度下巷道幫部應力分布曲線圖

圖3 給出了不同煤柱寬度（4 m、6 m、8 m、10 m）下巷道頂板變形曲線圖。由圖可知，巷道頂板變形均呈非對稱性。煤柱寬度為4 m 時，巷道實煤體幫頂板下沉214 mm，煤柱幫應力頂板下沉512 mm；煤柱寬度為6 m 時，巷道實煤體幫頂板下沉220 mm，煤柱幫應力頂板下沉454 mm；煤柱寬度為8 m 時，巷道實煤體幫頂板下沉203 mm，煤柱幫應力頂板下沉389 mm；煤柱寬度為10 m 時，巷道實煤體幫頂板下沉148 mm，煤柱幫應力頂板下沉303 mm。隨著煤柱寬度的增加，巷道頂板下沉量隨之減小，其中窄煤柱幫頂板下沉較明顯。雖然煤柱寬度為10 m 時，巷道頂板下沉量較小，但是其煤柱處于高應力環境下，在后期工作面回采過程中，煤柱的穩定性不易維護。因此，確定2-508 回風巷窄煤柱寬度為8 m。

圖3 不同煤柱寬度下巷道頂板變形曲線圖

3 窄煤柱沿空掘巷支護技術

基于上述分析研究，確定沿2-510 采空區邊緣留設8.0 m 寬的煤柱進行掘進2-508 回風巷，確定沿空掘巷支護方案如圖4，具體技術與參數如下：

圖4 巷道支護斷面圖（mm）

（1）頂幫錨桿均采用長度2400 mm、直徑22 mm 的左旋高強錨桿，每排均布置5 根，間排距分別為800 mm×800 mm、700 mm×800 mm，采用W 鋼帶成排連接。

（2）頂板采用錨索加強支護，頂板中部采用長度7200 mm、直徑17.8 mm 的預應力錨索，每排布置2 根，間排距1600 mm×1600 mm，靠近窄煤柱幫300 m 處，采用錨梁加強支護，錨梁采用長度7200 mm、直徑17.8 mm 的預應力錨索+16#槽鋼，間距1600 mm。

（3）窄煤柱幫采用錨索補強+注漿強化，幫錨索采用長度6200 mm、直徑17.8 mm 的預應力錨索，每排布置2 根，間排距1400 mm×1600 mm，同時采用水灰比0.8:1 的新型雙液無機材料進行注漿強化。

4 巷道圍巖控制效果

將提出窄煤柱沿空掘巷支護方案應用于2-508回風巷，監測2-508 回風巷圍巖變形情況，如圖5所示。由圖可知，2-508 回風巷掘巷30 d 后圍巖變形逐漸穩定，此時，頂底板相對變形137 mm，其中底板鼓起65 mm，兩幫相對變形205 mm，其中實煤體幫變形74 mm。工作面回采期間，超前工作面0～60 m 范圍內2-508 回風巷變形量較大，回采期間2-508 回風巷頂板最大下沉181 mm，底板最大鼓起125 mm，實煤體幫最大變形248 mm，窄煤柱幫最大變形331 mm。綜上所述，在巷道掘進及工作面超前采動影響期間，2-508 回風巷變形均在允許范圍內，證明了煤柱寬度留設及窄煤柱沿空掘巷支護技術的合理性。

圖5 巷道變形曲線圖

5 結論

合理的煤柱寬度是保證沿空掘巷圍巖穩定性的關鍵因素之一，以隆博煤業2-508 回風巷生產地質條件為工程背景，分析了不同煤柱寬度下巷道圍巖應力及頂板下沉規律，確定2-508 回風巷沿2-510采空區邊緣留設8.0 m 寬的煤柱進行掘進，設計了沿空掘巷支護方案。現場應用后，在巷道掘進及工作面超前采動影響期間，巷道變形均在允許范圍內，證明了煤柱寬度留設及窄煤柱沿空掘巷支護技術的合理性。