窄煤柱沿空掘巷圍巖控制技術(shù)

路 遙

（山西煤炭運(yùn)銷集團(tuán)蓋州煤業(yè)有限公司，山西 高平 048400）

沿空掘巷作為窄煤柱 （一般小于8～10 m）護(hù)巷技術(shù)，能夠減少資源浪費(fèi)，提高回采率[1]。同時(shí)，掘巷時(shí)巷道處于采空區(qū)應(yīng)力降低區(qū)，有利于提高掘巷時(shí)的穩(wěn)定性[2]。 國(guó)內(nèi)外一些學(xué)者認(rèn)為沿空掘巷留設(shè)窄煤柱， 相對(duì)與寬煤柱巷道掘進(jìn)受動(dòng)壓影響更劇烈， 煤柱和巷道圍巖變形破壞程度較寬煤柱大得多，但是這些結(jié)論都是在淺部開(kāi)采、薄及中厚煤層巷道基礎(chǔ)上研究總結(jié)的[3-5]。隨著工作面開(kāi)采深度的增加，通過(guò)機(jī)械化施工和合理支護(hù)，不能完全通過(guò)原有結(jié)論認(rèn)識(shí)沿空掘巷的穩(wěn)定性[6]。 對(duì)沿空掘巷來(lái)說(shuō)，需要留設(shè)合理煤柱尺寸和優(yōu)化支護(hù)參數(shù)來(lái)提高巷道的承載能力和穩(wěn)定性，保證礦井的安全生產(chǎn)。

1 工作面概況

蓋州煤業(yè)9100 工作面東部為9101 工作面（已回采），西部為未開(kāi)采區(qū)域，南部為井田邊界，北部為9#回風(fēng)大巷。 工作面主采9 號(hào)煤層， 平均厚度1.7 m， 平均傾角1°～7°。 工作面上部存在3 號(hào)煤層采空區(qū)，距離9 號(hào)煤層厚度平均為50 m。 工作面直接頂為砂質(zhì)泥巖，直接底為粉砂巖。 9100 工作面回風(fēng)順槽沿著9101 工作面采空區(qū)掘進(jìn)， 掘進(jìn)至50 m處遇落差0.5 m的F4斷層，掘進(jìn)至200 m處遇落差2 m的F5斷層，對(duì)巷道掘進(jìn)的穩(wěn)定性有一定影響。

2 煤柱寬度確定

2.1 模擬方案

采用UDEC模擬9100 工作面回風(fēng)順槽分別留設(shè)3 m、5 m、8 m、18 m煤柱尺寸時(shí)，煤柱和巷道圍巖變形破壞情況， 從而確定沿空掘巷合理煤柱尺寸。 根據(jù)9100 工作面地質(zhì)條件，建立200 m×35 m的力學(xué)模型，施加5.75 MPa大小的垂直應(yīng)力，材料參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 9100 工作面回風(fēng)順槽材料參數(shù)

圖1 不同煤柱圍巖破壞

2.2 模擬結(jié)果分析

當(dāng)回風(fēng)順槽與9101 工作面采空區(qū)留設(shè)不同寬度煤柱時(shí)，圍巖破壞情況見(jiàn)圖1。

由圖1 可知， 當(dāng)回風(fēng)順槽沿著采空區(qū)掘進(jìn)，留設(shè)不同煤柱尺寸煤柱及巷道圍巖破壞形式不同。 當(dāng)留設(shè)3 m煤柱時(shí)， 受采空區(qū)影響煤柱內(nèi)部出現(xiàn)裂隙，整體變形破壞嚴(yán)重，失去承載能力，近煤柱側(cè)巷道圍巖變形破壞大，對(duì)施工有較大影響。 當(dāng)留設(shè)5 m煤柱時(shí)，相對(duì)于3 m來(lái)說(shuō)，煤柱和巷道圍巖變形破壞有了明顯的減小， 近采空區(qū)側(cè)煤柱出現(xiàn)裂隙，近回風(fēng)順槽側(cè)受采空區(qū)影響小， 裂隙發(fā)育不明顯，巷道圍巖變形小，對(duì)施工影響小。 當(dāng)留設(shè)8 m煤柱時(shí)，煤柱和巷道圍巖變形破壞與留設(shè)5 m煤柱時(shí)相近，沒(méi)有更明顯改善。 當(dāng)留設(shè)18 m煤柱時(shí)，煤柱近巷道側(cè)幾乎不出現(xiàn)裂隙， 雖然能保證巷道的穩(wěn)定性，但是造成了資源浪費(fèi)。 回風(fēng)順槽留設(shè)不同煤柱寬度時(shí)，煤柱變形破壞量見(jiàn)圖2。

圖2 不同煤柱尺寸破壞

由圖2 可知，9100 回風(fēng)順槽隨著留設(shè)煤柱尺寸的增加， 煤柱兩側(cè)變形量呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢(shì)。 當(dāng)留設(shè)3 m煤柱時(shí)，煤柱位于垂直應(yīng)力破碎區(qū)，變形量大，近巷道和近采空區(qū)側(cè)煤柱變形量分別為600 mm、400 mm；當(dāng)留設(shè)5 m煤柱時(shí)，煤柱位于垂直應(yīng)力塑性區(qū)， 變形量較3 m煤柱有了明顯改善，近巷道和近采空區(qū)側(cè)煤柱變形量分別為180 mm、240 mm；當(dāng)留設(shè)8 m煤柱時(shí)，變形量與5 m煤柱差別不大，近巷道側(cè)垂直應(yīng)力相對(duì)較大，近巷道和近采空區(qū)側(cè)煤柱變形量分別為190 mm、246 mm；當(dāng)留設(shè)8 m煤柱時(shí)，煤柱位于垂直應(yīng)力彈性區(qū)，近采空區(qū)側(cè)煤柱變形破壞大，近巷道和近采空區(qū)側(cè)煤柱變形量分別為260 mm、246 mm， 煤柱變形量比5 m煤柱時(shí)大，同時(shí)造成了資源的浪費(fèi)。因此，9100 工作面回風(fēng)順槽留設(shè)5 m煤柱，沿9101 工作面采空區(qū)掘進(jìn)最優(yōu)。

3 支護(hù)參數(shù)確定

9100 工作面回風(fēng)順槽沿空掘巷，在選擇合理的煤柱尺寸后，需要加強(qiáng)對(duì)沿空巷道支護(hù)，提高巷道的承載能力和穩(wěn)定性。

3.1 錨網(wǎng)索支護(hù)

9100 工作面回風(fēng)順槽采用錨網(wǎng)索的支護(hù)方式，根據(jù)9100 工作面頂板性質(zhì)， 確定最合理的支護(hù)參數(shù)。

表2 回風(fēng)順槽錨網(wǎng)索支護(hù)參數(shù)

沿空巷道采用錨網(wǎng)索支護(hù)時(shí)， 應(yīng)安全施工，嚴(yán)控空頂距，原則上不應(yīng)大于2 排錨桿排距。 巷道錨索支護(hù)后，應(yīng)當(dāng)采用Φ14 mm的圓鋼焊制的鋼筋梯子梁和錨桿組合，形成承載結(jié)構(gòu)，提高巷道支護(hù)的強(qiáng)度。

3.2 注漿加固

9100 工作面回風(fēng)順槽采用錨網(wǎng)索支護(hù)后，雖然能夠提高巷道圍巖的承載能力， 但是工作面回采后，受動(dòng)壓影響，巷道仍會(huì)出現(xiàn)變形破壞，造成返修。 因此，需要對(duì)巷道進(jìn)行注漿加固，進(jìn)一步提高圍巖的強(qiáng)度。

回風(fēng)順槽支護(hù)時(shí)選用注漿錨桿，使錨固與注漿相結(jié)合施工。 選用QB152 型便攜式注漿泵，注漿液采用一定比例水泥、黃沙、石子混合制成，通過(guò)注漿錨桿分別為順槽頂板和兩幫進(jìn)行注漿加固施工，施工參數(shù)見(jiàn)表3。

表3 9100 工作面回風(fēng)順槽注漿加固參數(shù)

注漿壓力應(yīng)當(dāng)大于5 MPa以上，注漿施工應(yīng)當(dāng)保證注漿液能夠深入圍巖裂隙，保證巷道圍巖形成整體，減小圍巖松動(dòng)圈，提高巷道圍巖的承載能力。

4 支護(hù)效果檢驗(yàn)

9100 工作面回風(fēng)順槽選擇合理支護(hù)方式和參數(shù)后， 需要通過(guò)監(jiān)測(cè)巷道圍巖變形量驗(yàn)證支護(hù)效果。 巷道掘進(jìn)后，每間隔20 m在巷道布置一個(gè)位移測(cè)站，監(jiān)測(cè)巷道圍巖變形量，監(jiān)測(cè)結(jié)果見(jiàn)圖3。

圖3 巷道圍巖變形量

由圖3 可知，9100 工作面回風(fēng)順槽采用錨網(wǎng)索和注漿加固后，在觀測(cè)的時(shí)間范圍內(nèi)，巷道的圍巖變形量有了明顯的減小。在觀測(cè)120 d內(nèi)，回風(fēng)順槽頂幫圍巖頂、幫變形量分別為35 mm、28 mm，不足以影響工作面的施工。 由此可知，支護(hù)取得了良好的效果，有效減小了沿空巷道的圍巖變形量。

5 結(jié)語(yǔ)

1）以蓋州煤業(yè)9100 工作面回風(fēng)順槽為研究對(duì)象， 采用UDEC 模擬9100 工作面回風(fēng)順槽分別留設(shè)3 m、5 m、8 m、18 m煤柱時(shí)，煤柱和巷道圍巖變形破壞情況。 根據(jù)模擬結(jié)果可知，當(dāng)留設(shè)5 m煤柱時(shí)，既能保證巷道的穩(wěn)定性，又能減小資源的浪費(fèi)。

2）回風(fēng)順槽沿空掘巷留設(shè)合理煤柱尺寸后，通過(guò)采用合理的支護(hù)方式和參數(shù)進(jìn)一步提高巷道圍巖承載能力。 回風(fēng)順槽通過(guò)采用錨網(wǎng)索和注漿加固的支護(hù)形式，增強(qiáng)支護(hù)強(qiáng)度，分別設(shè)計(jì)了支護(hù)和注漿的最優(yōu)參數(shù)。 通過(guò)監(jiān)測(cè)巷道圍巖變形量驗(yàn)證支護(hù)效果，根據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果可知，5 m煤柱、錨網(wǎng)索支護(hù)、注漿加固相結(jié)合的方式有效提高了沿空掘巷巷道的穩(wěn)定性。