綜采工作面窄煤柱沿空掘巷支護(hù)技術(shù)研究

張兵強(qiáng)

（山西沁和能源集團(tuán)南凹寺煤業(yè)有限公司，山西 晉城 048000）

1 工作面概況

南凹寺煤礦30407 工作面為綜采工作面，主采3#煤層，煤層厚度為7.3～8.8 m，平均煤厚8.05 m。30407 綜采工作面走向長度943 m，傾向長度180 m，煤層傾角2°～5°，平均3°30′。煤層基本頂為8 m 厚中粒砂巖，直接頂為5 m 厚灰黑色砂質(zhì)泥巖，直接底為3 m 厚灰黑色厚層狀砂質(zhì)泥巖，基本底為灰白色厚層狀中粒砂巖，厚度為6 m。

2 煤柱留設(shè)方案分析

南凹寺煤礦以往在布置臨近采空區(qū)工作面時(shí)，為保證掘巷的安全，留設(shè)35 m 大尺寸煤柱，造成了大量的資源浪費(fèi)。為避免資源浪費(fèi)，增加礦井的經(jīng)濟(jì)收入，30407 綜采工作面運(yùn)輸巷將以沿空掘巷的方式設(shè)計(jì)，并對其煤柱留設(shè)方案進(jìn)行分析[1-6]，使資源采出最大化的同時(shí)，保證其安全掘進(jìn)。30407工作面運(yùn)輸巷臨近30405 工作面采空區(qū)，30405 工作面已回采結(jié)束8 個(gè)月，采空區(qū)已基本壓實(shí)。

數(shù)值模擬技術(shù)能夠?qū)γ簬r體等材料進(jìn)行三維結(jié)構(gòu)受力特性仿真計(jì)算。根據(jù)地質(zhì)資料和生產(chǎn)情況，采用FLAC3D計(jì)算軟件對3 m、5 m、7 m、10 m 和12 m 五種煤柱留設(shè)方案進(jìn)行數(shù)值模擬。

通過FLAC3D仿真計(jì)算軟件對以上五種方案進(jìn)行模擬，發(fā)現(xiàn)煤柱留設(shè)方案所造成的巷道圍巖位移量、頂板應(yīng)力分布情況、塑性區(qū)域分布都差別不大。煤柱留設(shè)越小，巷道圍巖的位移量越大，但是煤柱受高應(yīng)力集中影響范圍越小，有利于保證沿空掘巷掘進(jìn)時(shí)的巷道圍巖穩(wěn)定性。在采取大煤柱留設(shè)方案時(shí)，前期沿空掘巷掘進(jìn)受影響較小，巷道圍巖穩(wěn)定性強(qiáng)，但隨著巷道向前掘進(jìn)，巷道兩幫越來越受到應(yīng)力集中的影響，煤柱受高應(yīng)力影響范圍增加，巷道圍巖變形速度加快，對巷道長時(shí)間掘進(jìn)穩(wěn)定性造成嚴(yán)重影響。

根據(jù)FLAC3D仿真計(jì)算軟件的數(shù)值模擬結(jié)果分析，沿空掘巷采用5 m 的煤柱留設(shè)方案最為科學(xué)合理，既能夠保證巷道長期穩(wěn)定，滿足回采需求，又能提高煤炭采出率，增加礦井生產(chǎn)收益。

3 沿空掘巷支護(hù)方案設(shè)計(jì)

3.1 錨桿支護(hù)

30407 工作面沿空掘巷設(shè)計(jì)斷面面積23.2 m2，巷寬4 m，上段巷高3 m，下段巷高2.8 m。3#煤層位于地表以下180 m，埋深淺，因此，在巷道掘進(jìn)期間采用錨桿+金屬網(wǎng)+礦用梯子梁的支護(hù)形式。沿空掘巷支護(hù)設(shè)計(jì)圖如圖1，巷道主要支護(hù)參數(shù)見表1。

圖1 沿空掘巷支護(hù)設(shè)計(jì)圖

表1 沿空掘巷主要支護(hù)參數(shù)

3.2 注漿加固

為提高巷道支護(hù)的效果，設(shè)計(jì)采用注漿加固的形式對沿空掘巷支護(hù)方案進(jìn)行進(jìn)一步加強(qiáng)。將混合漿液通過鉆孔壓入巷道周圍的破碎煤體內(nèi)，漿液具有滲透性強(qiáng)、易凝固的特點(diǎn)，能夠使破碎煤體膠結(jié)在一起，成為一個(gè)整體，從而提高煤體的受力性能，增強(qiáng)承壓能力，提高巷道的穩(wěn)定性。

注漿加固材料選用水泥、固化劑、水按1:1.5:0.5配比進(jìn)行調(diào)配。為最大化注漿效果，注漿孔打設(shè)深度定為2.4 m，注漿壓力定為1～1.5 MPa。在距巷道頂板0.6 m、巷道底板0.6 m 位置布置注漿孔，巷道中部注漿間距0.8 m。注漿加固鉆孔布置如圖2。

圖2 注漿加固鉆孔布置圖

4 沿空掘巷圍巖位移觀測

4.1 頂板下沉監(jiān)測分析

在30407 綜采工作面切眼以外180 m 處布置圍巖位移觀測點(diǎn)。通過觀測分析沿空掘巷掘進(jìn)時(shí)巷道頂板圍巖的位移量，發(fā)現(xiàn)巷道頂板圍巖總體位移量較小，如圖3。巷道在掘進(jìn)過后10 d 內(nèi)，巷道頂板圍巖有下沉現(xiàn)象，平均下沉量為1.6 mm/d，10 d 后頂板圍巖的下沉速度明顯變小，30 d 后巷道頂板圍巖開始穩(wěn)定。沿空掘巷掘進(jìn)期間頂板圍巖下沉量共計(jì)23 mm，圍巖位移情況較小。工作面開始回采后，前10 d 內(nèi)，由于觀測點(diǎn)距切眼距離較遠(yuǎn)，測得頂板下沉量為1.8 mm/d，隨著工作面的回采進(jìn)度，巷道頂板圍巖受采動影響，頂板下沉速度明顯增加，觀測頂板圍巖下沉量為6 mm/d，工作面回采30 d 后，頂板圍巖下沉量累計(jì)到128 mm 后，下沉速度略有降低，工作面回采至60 d 后，巷道頂板圍巖下沉量達(dá)到135 mm。

圖3 30407 工作面頂板圍巖下沉量曲線圖

4.2 巷道兩幫位移監(jiān)測分析

如圖4 所示，30407 工作面沿空掘巷在掘進(jìn)時(shí)，巷道兩幫圍巖位移量較小，在掘進(jìn)15 d 時(shí)，兩幫圍巖位移量為125 mm，然后巷幫趨于穩(wěn)定。工作面在回采之前，已按設(shè)計(jì)對留設(shè)煤柱進(jìn)行注漿加固，注漿加固后的煤柱承壓能力和穩(wěn)定性顯著增加。在工作面回采時(shí)煤柱側(cè)巷幫圍巖位移量僅為50 mm，實(shí)體煤側(cè)巷幫在工作面回采初期就出現(xiàn)巷幫變形，并且隨工作面回采進(jìn)度，巷幫圍巖位移速度明顯增加，工作面回采至60 d 后，實(shí)體煤側(cè)巷幫圍巖位移量為900 mm，結(jié)果表明對工作面回采影響較小。通過錨桿+金屬網(wǎng)+梯子梁的支護(hù)設(shè)計(jì)以及對留設(shè)煤柱進(jìn)行注漿加固的方案對巷道圍巖位移情況的控制效果良好，能夠滿足工作面的生產(chǎn)需求。

4.3 巷道底板底鼓監(jiān)測分析

30407 工作面沿空掘巷在掘進(jìn)時(shí)，底板未出現(xiàn)明顯底鼓現(xiàn)象。工作面在回采推進(jìn)期間，由于底板圍巖巖性為泥巖，穩(wěn)定性不足，最大底鼓量為1.5 m，在此期間，需要對底板進(jìn)行落底，保證工作面回采不受影響。

5 結(jié)語

30407 綜采工作面沿空掘巷在掘進(jìn)期間的煤柱留設(shè)采用5 m 尺寸的留設(shè)方案，根據(jù)工作面走向長度計(jì)算，當(dāng)工作面回采結(jié)束后，煤炭采出量可增加20 萬t，為礦井帶來巨大的經(jīng)濟(jì)效益。