近距離采空區(qū)下窄煤柱沿空掘巷圍巖控制技術(shù)

程應(yīng)天

（山西煤炭運銷集團金達煤業(yè)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(yè)實現(xiàn)綠色、可持續(xù)發(fā)展的重要技術(shù)方法，得到了廣泛的推廣應(yīng)用，廣大煤礦技術(shù)人員也做了大量的研究[3-4]。

1 工程概況

金達煤業(yè)現(xiàn)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(wěn)定。10 號煤層采用綜放開采，煤層頂板為炭質(zhì)泥巖和砂質(zhì)泥巖，之上為9 號煤采空區(qū)，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(qū)，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(fēng)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(fēng)順槽凈寬3.5 m，凈高2.8 m，正在掘進。10402工作面回風(fēng)順槽南部為10401工作面，10402工作面回風(fēng)順槽沿10401工作面采空區(qū)掘進。由于上部9 號煤層已采空，工作面寬150 m，區(qū)段煤柱寬10～15 m，10 號煤層工作面處于采空區(qū)下方，且9、10 號煤層工作面布置方向互相垂直（圖1），10402 回風(fēng)順槽在掘進期間多次通過上覆煤柱應(yīng)力集中區(qū)，巷道圍巖控制難度較大。10 號煤層最大水平主應(yīng)力9.47 MPa，最小水平主應(yīng)力5.57 MPa，垂直應(yīng)力5.53 MPa，在量值上屬于低值應(yīng)力區(qū)。

圖1 工作面布置示意圖

2 采動應(yīng)力影響分析

2.1 上部煤層回采對下部煤層應(yīng)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(qū)及煤柱下方垂直應(yīng)力分布，分析其采動應(yīng)力對10 號煤層垂直應(yīng)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(yīng)力曲線

區(qū)段煤柱寬度分別為10 m、15 m 時，在區(qū)段煤柱下方10 號煤層的垂直應(yīng)力分別為14.75 MPa、15.09 MPa，不同寬度區(qū)段煤柱一側(cè)所形成的應(yīng)力增高區(qū)范圍約為10 m。采空區(qū)下方的垂直應(yīng)力為9.24 MPa，略低于10 號煤層的原巖應(yīng)力9.75 MPa。9 號煤層采空對10 號煤層的主要影響為區(qū)段煤柱下方的圍巖應(yīng)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(yīng)特別注意巷道圍巖應(yīng)力增大對巷道的影響，必要時可采取相應(yīng)的加強支護措施。

2.2 本煤層工作面采動影響

通過數(shù)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(cè)向煤柱塑性區(qū)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(cè)向應(yīng)力峰值距巷幫2.5 m，煤柱采空區(qū)側(cè)的塑性區(qū)破壞深度約為0.5～1.0 m。綜合分析認(rèn)為留窄煤柱沿空掘巷應(yīng)滯后工作面300 m 以上。

3 窄煤柱寬度分析

工作面開采后，側(cè)向支承壓力呈現(xiàn)先增大再降低至原巖應(yīng)力的形態(tài)，采空區(qū)便處于低應(yīng)力區(qū)，利于巷道圍巖穩(wěn)定。為提高煤炭資源回采率，10402工作面回風(fēng)順槽巷道采用窄煤柱護巷。

3.1 不同煤柱寬度內(nèi)應(yīng)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(shù)值模型，分析上部煤層采空區(qū)和煤柱下方留窄煤柱巷道圍巖應(yīng)力分布曲線，如圖3。

圖3 10402 工作面回風(fēng)順槽圍巖的垂直應(yīng)力分布曲線

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

3.2 不同煤柱寬度塑性區(qū)分布

對不同煤柱寬度塑性區(qū)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(nèi)的塑性區(qū)主要分布于上工作面采空區(qū)側(cè)，且主要位于煤壁及頂煤區(qū)域、煤柱內(nèi)部及新掘順槽表面圍巖。煤柱采空區(qū)側(cè)煤壁及頂板破壞深度隨著煤柱寬度的增加逐漸減小，當(dāng)煤柱寬度大于6 m 時，采空區(qū)側(cè)的頂煤破壞與煤柱內(nèi)部的塑性破壞區(qū)未貫通，煤柱較為穩(wěn)定，故煤柱寬度應(yīng)大于6 m。

圖4 窄煤柱內(nèi)及10402 回風(fēng)順槽圍巖塑性破壞圖（煤柱下方）

4 圍巖控制技術(shù)

4.1 錨桿支護

根據(jù)窄煤柱圍巖應(yīng)力分布及塑性區(qū)發(fā)育情況，結(jié)合礦井地質(zhì)條件，綜合確定巷道支護參數(shù)如下：

（1）采空區(qū)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(shè)，預(yù)緊力矩不小于300 N.m，采用W 長鋼帶連接，菱形金屬網(wǎng)護表；錨索采用直徑為22 mm、長度6300 mm 的預(yù)應(yīng)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(shè)，預(yù)緊力矩不小于300 N.m，安裝W 鋼護板，采用菱形金屬網(wǎng)護表。煤柱側(cè)巷幫錨桿支護參數(shù)和護表支護同工作面?zhèn)认飵停⒉捎缅^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(nèi)均出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)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(cè)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(fēng)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(qū)段采用不同的支護方案，并在部分構(gòu)造破碎區(qū)及時進行注漿加固，實現(xiàn)了巷道掘進安全高效，圍巖變形穩(wěn)定可控。

5 結(jié)語

采用數(shù)值模擬方法，分析上部9 號煤層開采后下部10 號煤層應(yīng)力分布情況，同時分析不同寬度窄煤柱應(yīng)力分布和塑性區(qū)發(fā)育情況，確定了金達煤業(yè)窄煤柱沿空掘巷寬度為6.5 m。結(jié)合數(shù)值模擬分析結(jié)果，確定沿空掘巷在進出上部煤柱及前后10 m范圍內(nèi)需進行加強支護?，F(xiàn)場觀測表明，分區(qū)域采用不同支護方案可有效控制沿空巷道圍巖穩(wěn)定。