南煤大阳泉公司8128回风巷道破碎围岩沿空掘巷技术研究

屈海峰

(华阳集团 南庄煤炭集团有限责任公司，山西 阳泉 045000)

1 工程概况

南煤集团大阳泉公司8128工作面位于15号煤采区南翼，工作面北与15号煤采区轨道巷相接，南邻矿界，东距8130工作面15.3 m，西部为8126工作面采空区；工作面开采15号煤层，煤层均厚为5.76 m，煤层结构复杂，煤层内含矸石0.13 m，工作面直接顶为黑灰色页岩，厚约8.18 m，基本顶为中砂岩和灰色细砂岩，均厚6.23 m，底板岩层为黑色页岩和灰色中砂岩，具体工作面顶底板岩层特征见表1。工作面采用综采放顶煤采煤方法，工作面割煤高度控制在2.7 m，放煤高度3.53 m，循环进度0.8 m，全部垮落法管理顶板。

表1 煤层顶底板岩性特征

8128工作面回风巷一侧沿空，巷道沿煤层底板掘进，巷道断面为矩形，掘进高度×宽度=3.6 m×5.2 m，由于回风巷道掘进作业时为沿空掘进，且巷道为煤巷，煤层上方直接顶岩层质软易碎，故需针对回风巷道沿空掘巷时护巷煤柱宽度及松软破碎围岩巷道的支护方案进行分析设计。

2 沿空掘巷煤柱宽度分析

综放工作面沿空掘巷沿邻近采空区边缘进行掘进，其窄煤柱受到毗邻工作面采动影响，煤柱两侧浅部围岩会发生塑性变形及破坏。随着煤柱宽度的减小，煤柱内的应力集中程度得到减弱，但考虑到煤柱帮的支护效果，煤柱宽度又不应太小。如果煤柱宽度小于某个值时，煤柱将发生蠕变变形破坏，此时煤柱帮锚杆不能锚固在稳定岩层中，可能会导致一系列矿压事故及安全生产难题。沿空掘巷煤柱力学模型如图1所示。

图1 沿空掘巷煤柱力学模型

根据图1中的力学模型，结合极限平衡理论，推导出沿空掘巷窄煤柱最小合理宽度的表达式[1-3]：

B=x1+x2+x3

(1)

式中：B为煤柱最小合理宽度，m；x1为煤柱位于相邻采空区侧的破碎区长度，m；x2为锚杆的有效长度，m；x3为安全系数，缓倾斜煤层取(0.2～0.6)(x1+x2)；λ为侧压系数，λ=μ/1-μ；γ为煤岩层平均容重；m为煤层厚度，m；C0为煤层内聚力大小，MPa；φ0为煤层内摩擦角大小，°；K为应力集中系数；H为巷道平均埋深，m；Px为锚杆对煤柱的侧向阻力，MPa。

根据8128工作面顶底板岩层的赋存情况及力学特征，结合8128工作面的具体情况，式中各项参数的取值见表2。

表2 8128工作面煤岩层物理力学参数

将上述数据代入式(1)，得x1=2.53 m；基于8128工作面的具体情况，取x2=2.0 m，则x3=(0.2～0.6)(x1+x2)=0.906～2.718 m，则煤柱最小合理宽度B=5.436～7.248 m。

另外考虑到综放工作面回采过程中煤层采放厚度大，煤层开采后，采空区内遗留的浮煤和垮落的矸石无法充满采空区，基本顶岩层会在覆岩载荷作用下发生破断及回转下沉现象，即基本顶向采空区侧倾斜，进而导致侧向支承压力会向煤体内转移，在应力的转移过程中会使边缘煤体出现破坏，从而在区段煤柱一定深度内形成塑性破坏区。根据研究可知[4-6]，综放上区段工作面回采后，在煤体边缘0～7 m的范围内会形成应力降低区，结合煤柱合理宽度的计算结果，确定8128工作面沿空掘巷留设煤柱宽度为6 m。

3 围岩控制技术

3.1 方案设计

为充分保障沿空掘巷巷道围岩的稳定，巷道断面选用矩形，掘进高度×宽度=3.6 m×5.2 m，结合工作面地质资料可知，巷道围岩较为松软，且临近的8126采空区尚未稳定，巷道掘进期间会受到一定程度邻近采空区覆岩运动的影响。综合上述分析，确定巷道采用锚网索+钢带+煤柱注浆加固的支护方案，具体支护方案如下：

1) 锚网支护：锚杆采用D20 mm×2 200 mm的螺纹钢锚杆，顶板和两帮锚杆间排距分别为900 mm×900 mm和1 000 mm×900 mm，锚杆采用端头锚固，每孔采用2节K2370 mm树脂药卷进行锚固，锚固力≥50 kN。锚杆托板采用150 mm×150 mm×10 mm的钟型托盘，全断面铺设金属网，金属网采用D6.5 mm的圆钢焊制，网孔间距100 mm，采用14号双股铅丝双排扣扣相联,每排共计布置14根锚杆。

2) 钢筋梯支护：2-2断面拱部锚杆(7根)与钢筋梯同排布置，钢筋梯采用D16 mm的圆钢焊制，长度5 750 mm，每根钢筋梯由两根D16 mm的圆钢平行并排焊接而成，并排外径宽度102 mm，内径宽度70 mm,每隔800 mm焊接外径间距为116 mm，见图2。

图2 钢筋梯子梁加工示意(mm)

3) 锚索支护：顶板锚索采用规格为D17.8 mm×6 300 mm的钢绞线(1×7股)，锚索采用4节K2370 mm树脂药卷进行锚固，两帮锚索采用2节K2370 mm树脂药卷，锚索的锚固力≥100 kN。全断面布置2根锚索，均布置于巷道上，间排距1 800 mm×1 800 mm，锚索梁呈2-2布置。具体8128回风巷道沿空掘巷各项支护参数见图3。

图3 8128回风巷道沿空掘巷支护示意(mm)

4) 煤柱注浆：为加强煤柱的承载能力，在沿空掘巷期间对煤柱采用注浆加固工艺，在8128回风巷道窄煤柱帮布置注浆钻孔，采用水泥水玻璃对窄煤柱帮进行注浆加固，详细参数为：①注浆材料：选用水泥与水玻璃，以1∶0.4体积比进行注浆，初凝时间1～2 h；②注浆钻孔布置方式：窄煤柱帮注浆钻孔呈五花布置(注浆间排距 1 000 mm×2 000 mm)、最靠近窄煤柱帮底部的注浆钻孔的角度为 45°；③注浆时间：滞后回风巷掘进半个月；④注浆深度：3.5 m；⑤封孔方式：采用水泥药卷，封孔长度0.4 m；⑤水泥水玻璃在围岩内的扩散半径为 2 m；⑥注浆作业的终孔压力为2 MPa。具体8128回风巷道窄煤柱帮注浆加固参数见图4。

图4 窄煤柱帮注浆钻孔布置示意(mm)

3.2 效果分析

为验证8128回风巷道沿空掘巷支护方案的合理性，掘巷期间在距离掘进头5 m的位置处布置巷道表面位移监测站，根据观测结果绘制曲线，见图5。

图5 8128回风巷沿空掘巷期间巷道表面位移曲线

分析图5可知，8128回风巷沿空掘巷期间，顶底板及两帮移近量随着观测天数的增长表现出逐渐增大的趋势。巷道顶底板及两帮变形主要发生在0～20 d内；当观测天数大于20 d时，顶底板及两帮的变形速率大幅度减小；在观测到30 d时，巷道围岩基本达到稳定状态。最终顶底板及两帮最大移近量分别为84 mm和158 mm。

4 结 语

根据8128回风巷道围岩具体情况及其力学参数，通过理论计算护巷煤柱的合理宽度为5.436～7.248 m，结合侧向支承压力分布确定护巷煤柱宽度为6 m。结合回风巷道围岩特征，确定沿空掘巷采用锚网喷+煤柱注浆加固支护方案，根据掘巷期间巷道表面位移观测结果可知，8128回风巷道在6 m护巷煤柱、锚网索+钢带+煤柱注浆支护方案下，围岩控制效果良好。