沿空掘巷窄煤柱尺寸及采掘加固方案研究

刘 茂

(西山煤电股份有限公司 西曲矿, 山西 古交 030200)



·试验研究·

沿空掘巷窄煤柱尺寸及采掘加固方案研究

刘 茂

(西山煤电股份有限公司 西曲矿, 山西 古交 030200)

在对综放沿空掘巷围岩变形和窄煤柱受力状况进行研究的基础上，提出了窄煤柱宽度尺寸的确定原则和计算方法，并由此提出锚杆+锚索+注浆等沿空掘巷围岩联合加固方案，经实际应用，效果良好，在保证综放工作面生产安全前提下，提高了煤炭资源回采率，可为煤炭企业综放工作面沿空掘巷生产提供借鉴。

综放工作面；沿空掘巷；窄煤柱尺寸；围岩变形；联合加固

随着我国现代工业的高速发展，煤炭资源的需求和开采量大幅增加，与此同时，煤炭资源储量逐年减少，开采难度增大，因此，如何高效、合理地进行煤炭采掘成为当前各生产单位迫切需要解决的问题。综放工作面煤炭开采过程中，近80%以上的巷道为回采巷道，常见的回采巷道布置方式有3种：宽煤柱护巷、窄煤柱沿空掘巷及沿空留巷。宽煤柱护巷是指在与上区段采空区相距较远的原岩应力区位置进行巷道挖掘，从而避开侧支撑压力的影响，并保留较宽煤柱，此种采掘工艺对煤炭资源存在较大浪费。窄煤柱沿空掘巷是指将下区段回采巷道布置在距上区段采空区较近位置，中间留3～9 m窄煤柱，一方面可使巷道位于侧支撑压力降低区，另一方面可有效提高煤炭的回采率。沿空留巷是指将上区段的工作面巷道直接用作下区段回采巷道，该采掘工艺虽然较大程度提高了资源的回收率，但其施工工艺复杂，巷道变形较大，开采成本较高。对比以上3种方式，我国煤炭企业广泛采用沿空掘巷采挖工艺，可提高煤炭回采率[1-3].

实践和研究表明，综放工作面窄煤柱沿空掘巷过程中，窄煤柱尺寸确定及掘后围岩加固方案是采掘工艺的重点。本文将结合屯留矿沿空掘巷生产实践，对沿空掘巷的围岩变形、受力分布、窄煤柱尺寸确定及围岩加固方案等进行研究，为煤炭企业综放工作面沿空掘巷生产提供借鉴。

1 沿空掘巷围岩变形和受力分析

1.1 沿空掘巷围岩变形

上区段开采完成后，其回采巷道采用顶部矸石直接冒落的方式进行回填，随后下区段的回采方式采用沿空掘巷，在此过程中，回采区域内围岩的受力状态发生较大改变，并发生一定程度位移和形变。综放沿空掘巷顶部围岩变形示意图见图1. 随着上区段综放工作面逐渐向图1所示右侧推进，回采巷道顶部的矸石不断冒落回填，但由于回填高度有限，顶部岩体支撑不足而发生断裂扭转，最终形成图1中A、B、C 3处岩块。其中，岩块B一端位于下区段回采巷道支护窄煤柱顶部，而另一端扭转下落，并与上区段采空区的冒落矸石接触，形成三角形区域。由于岩块B变形较大，且与下区段距离较近，因此，对沿空掘巷围岩的稳定性影响最大[4-5].

图1 综放沿空掘巷顶部围岩变形示意图

1.2 沿空掘巷窄煤柱受力

图1中岩块B断裂旋转后对下区段窄煤柱附近围岩产生较大的侧向压应力，且其应力峰值随着岩块B的不断弯曲下沉而向下区段内部转移。现场实测及理论研究表明，沿空掘巷窄煤柱边缘区域所受应力呈现特定分布规律，在距离采空区较远位置仅受原岩应力影响，随着与采空区距离缩短，出现应力峰值，随后不断降低，并在窄煤柱位置回落至较低数值，综放沿空掘巷窄煤柱受力示意图见图2，应力分布区域可分为4段：

图2 综放沿空掘巷窄煤柱受力示意图

1) 松散免压区。靠近上区段采空区，位于下区段煤岩体边缘，由于煤岩体的结构和连续性在开采过程中发生一定程度破坏，裂隙较多但不连续贯通，变形较大，因此，承载能力较低，所受压力较小。

2) 塑性变形区。位于松散免压区和应力峰值之间，在超前应力峰值向前推进过程中，煤岩体发生屈服和塑性变形，由于其岩体连续性尚好，因此承载能力较强。

3) 弹性变形区。位于应力峰值和原岩应力区之间，围岩应力仅使其发生弹性变形，因此其岩体结构连续性未受到破坏，可承受较高的应力。

4) 原岩应力区。由于距采空区较远，因此，其应力状态不受采空区断裂基本顶等影响。

由上述分析可知，由于松散免压区内应力较小，因此，沿空掘巷适宜布置在该区域；当巷道布置在塑性和弹性变形区内时，巷道围岩将承受较大侧向支撑压力和煤体变形压力。

2 沿空掘巷窄煤柱尺寸计算

采掘过程中，合理计算和确定沿空掘巷窄煤柱的尺寸是采掘工艺和支护方案的关键环节，煤柱尺寸过小或过大都不利于后期工作面回采和巷道围岩稳定性控制。

2.1 窄煤柱尺寸确定原则

由于沿空掘巷选择在松散免压区进行布置，因此，挖掘所形成的窄煤柱并不对顶板起主要支撑作用，而仅用作上区段采空区和下区段综放工作面的物理隔离屏障，阻隔采空区瓦斯、水等有害物的涌入。因此，窄煤柱尺寸的确定有以下几点原则：

1) 满足加固条件要求，即巷道形成后，其围岩相对完整，锚杆深入后可明显提高围岩整体强度，在使用锚杆、锚索、注浆等支护措施后，可形成有效支护强度下的回采巷道。

2) 隔离性相对较好，岩体裂隙未贯通连接，保证采空区与当前工作面不透风，防止瓦斯涌入。

3) 煤炭回采率提高明显。煤柱尺寸尽量小，以提高下区段煤炭回采率。

2.2 窄煤柱尺寸计算

在综合考虑锚杆支护强度、围岩连续性及煤炭回采率前提下，窄煤柱尺寸的理论计算公式如下[1]：

B=2Rp+L1+L2

式中：

Rp—巷道开挖塑性变形半径，m；

L1—锚杆有效长度，m；

L2—安全因素富余量，m，一般L2=(0.2～0.4)Rp.

式中：

R0—巷道开挖半径，m；

c—煤岩的黏聚力，MPa；

φ—煤岩内摩擦角，(°)；

pi—围岩支护阻力，N；

P—覆岩压力，N，P=kγh；

γ—覆岩容重，kN/m3；

h—岩层厚度，m.

本文所研究的屯留矿12024工作面，相关计算参数如下：R0=1.6 m，c=0.55 MPa，φ=32°，pi=6.3 N，k=1.4，γ=28 kN/m3，h=530 m；L1=2.4 m.得Rp=2.6 m.

由此计算可得窄煤柱宽度尺寸：

B=2Rp+L1+L2=

2×2.6+2.4+0.3×2.6=8.4 m

3 沿空掘巷围岩变形综合控制方案

沿空掘巷所处位置围岩变形较大，若利用现有支护技术控制巷道的绝对变形，成本过大，加固难度较高，且从该巷道的后期受力状况和实际使用情况看，只需有效控制和抑制围岩的继续变形即可，保证围岩的完整性和一定的承载能力。针对这一问题，可从4个方面制定相应控制方案：

1) 勘察选定锚固区。根据顶部矸层厚度、岩层构造、裂隙发育等情况选择锚固深度、角度和间距等，确保锚杆与锚固剂在固定区域形成整体支护。

2) 防止早期顶板离层。由于巷道开挖后，围岩受力状态持续变化，且顶板早期离层较为严重，因此应及时将锚杆打入深部岩层，并施加合适预紧力。

3) 采用锚杆、锚索、注浆进行联合支护。锚杆、锚索配合，局部注浆加强，提高煤柱的稳定性。

12024工作面断面支护方案见图3.

图3 综放沿空掘巷断面支护方案

4 现场应用效果

12024工作面沿空掘巷采用以上围岩变形综合控制方案后，效果明显。巷道开挖后立即进行“锚杆+锚索+注浆”的联合支护方案，顶板中发育迅速的短纵向裂隙被浆体填充，围岩的完整性在早期得以有效控制。同时，监测发现，支护方案实施后，围岩早期急速离层量仅为3 mm，顶板下沉量降低近1/3，煤帮和底鼓变形分别减少12.5%、22.3%.

5 结 论

通过对综放沿空掘巷围岩变形和窄煤柱受力状况进行研究，提出了窄煤柱宽度尺寸的确定原则和计算方法，并由此提出“锚杆+锚索+注浆”等沿空掘巷围岩联合加固方案，经实际应用，效果良好，在保证综放工作面生产安全前提下，提高了煤炭资源回采率。

[1] 温克珩.深井综放面沿空掘巷窄煤柱破坏规律及其控制机理研究[D].西安：西安科技大学,2009.

[2] 柏建彪,侯朝炯,黄汉富，等.沿空掘巷窄煤柱稳定性数值模拟研究[J].岩石力学与工程学报,2004,23(20):3475-3479.

[3] 王德超,李术才,王 琦，等.深部厚煤层综放沿空掘巷煤柱合理宽度试验研究[J].岩石力学与工程学报,2014(3):539-548.

[4] 刘 佳.采掘相向沿空掘巷窄煤柱合理尺寸研究[D].青岛：山东科技大学,2015.

[5] 王 猛,柏建彪,王襄禹，等.迎采动面沿空掘巷围岩变形规律及控制技术[J].采矿与安全工程学报,2012,29(2):197-202.

Research on Narrow Coal Pillar Width and Reinforcement Scheme for Gob-side Entry Driving

LIU Mao

On the basis of studying the deformation of surrounding rock and the stress state of narrow pillar of gob-side entry driving in fully mechanized caving face, the principle and calculation method of the width of narrow pillar are put forward. The comprehensive measures are introduced with bolt，anchor and grouting together, the results show that this method can improve the recovery rate of coal resources under the precondition of guaranteeing the safety in fully mechanized top coal caving mining face, and can be applied in other coalmines with similar conditions for safety Production and technical reference.

Fully mechanized caving face; Gob-side entry driving; Narrow coal pillar width; Surrounding rock deformation; Combined strengthening

2016-06-10

刘 茂(1985—)，男，山西代县人， 2005年毕业于山西煤炭职业技术学院，工程师，主要从事煤矿开采技术管理工作(E-mail)339094949@qq.com

TD322

A

1672-0652(2016)08-0038-03