厚煤层综放面沿空掘巷分段围岩控制技术研究

左 文 录

（山西潞安集团蒲县黑龙煤业有限公司，山西 蒲县 041200）

1 工程背景

图1 工作面煤层柱状图

山西潞安集团黑龙煤业联合开采9 号、10 号、11号合并煤层，现开采的2102 工作面9+10+11 号煤层均厚6.0m，顶底板综合柱状图如图1 所示。西翼为已回采的2104 工作面采空区，东翼为轨道、运输、回风三条大巷。考虑到工作面采动扰动，设计9+10+11 号煤层轨道大巷保护煤柱时，计划留设75m 宽煤柱护巷，以控制动压作用大巷围岩大变形。但该布置方式直接面临的问题是：工作面煤炭资源损失严重，煤炭回收率低，同时工作面倾斜长度较短不利于实现工作面高产高效。考虑到其邻近2104 工作面回采结束至今已有1a 时间，其采空侧上覆岩层活动已经基本稳定，为尽可能提高煤炭资源的采出率，计划在2102 工作面回采时采用窄煤柱沿空掘巷技术，以减小区段煤柱宽度，为此，亟需开展黑龙煤业2102 工作面沿空掘巷支护技术研究。

2 沿空掘巷合理煤柱宽度数值模拟研究

为合理确定护巷煤柱宽度，采用FLAC3D数值模拟软件进行模拟分析，模拟主要对象是黑龙煤业2102 工作面回风顺槽，主要研究内容是分析不同宽度保护煤柱下沿空掘巷围岩的稳定性，确定护巷煤柱宽度。

基于2102 工作面工程地质条件，数值计算模型：长300m，高65m，宽20m。采用摩尔库伦本构模型，围岩物理力学参数见表1。模型左右、前后以及底部均采用固定位移边界条件，在模型顶部施加垂直载荷4.5MPa，水平侧压系数为1.4。

数值计算时，2104 工作面采高取 6.0m，2102 工作面回风顺槽沿底掘进，矩形断面，尺寸（宽×高）4.0m×3.0m，基于此，分别模拟受2104 工作面采空区侧向支承应力影响不同煤柱宽度下（5m～30m）沿空掘巷围岩应力变化特征。

表1 岩层物理力学参数

护巷煤柱宽度影响着沿空掘巷所处应力环境，采用较宽或者较窄的煤柱进行沿空掘巷时，可使试验巷道避开受采空区侧向支承应力集中峰值区，从而一定程度上改善巷道围岩应力状态，因此在选择煤柱宽度时，要充分考虑试验巷道所处应力环境，避免将试验巷道选择在应力集中峰值范围内，减小巷道围岩产生大变形的能力。

图2 给出了5m～20m 不同煤柱宽度下，在2104工作面采空区侧向支承压力作用下试验巷道（2102工作面回风顺槽）围岩应力分布云图，从图中可以看出，在邻近工作面采空区覆岩活动基本趋于稳定进行沿空掘巷，巷道围岩应力重新分布，当采用窄煤柱掘巷时（煤柱宽度5m），煤柱承载能力较低，属于屈服煤柱，煤柱内应力向深部（实煤体帮）转移，此时试验巷道煤柱内应力较小，实煤体帮应力集中程度较大，但巷道整体处于卸压范围，围岩应力环境相对良好，随着煤柱宽度的增加，试验巷道煤柱承载能力提高，应力出现明显增加，而试验巷道实煤体帮煤体内应力逐渐减小，当煤柱宽度达到一定后（煤柱宽度20m），2104 工作面采空区侧向支承压力传递到下工作面回风顺槽围岩的应力将可忽略，此时巷道围岩应力环境亦相对良好，但该布置方式将损失大量煤炭资源。

图2 不同煤柱宽度下沿空掘巷围岩垂直应力分布云图

为提高黑龙煤业2102 工作面单产以及煤炭回收率，在调研工作面生产地质资料、分析煤柱宽度对沿空掘巷围岩稳定性的影响后，最终确定2102 工作面回风顺槽采用窄煤柱沿空掘巷布置方式，煤柱宽度设计为5m。

3 沿空巷道分段围岩控制参数

由矿井地质资料可知，2102 工作面回风顺槽掘进期间会通过水平残余煤柱影响区区域和顶板出现黄泥和伪顶破碎的区域，针对沿空掘巷不同区域不同的顶板条件，提出不同的支护方案，共3 种方案，包括正常区域沿空掘巷支护方案、残余煤柱影响区域沿空掘巷支护方案、特殊区域沿空掘巷支护方案，其中，残余煤柱影响区域是指上水平残余煤柱影响范围内，特殊区域是指在顶板出现黄泥或伪顶极为破碎，现场无法施工锚杆（索）的区域。

1）正常区域沿空掘巷支护方案。正常区域沿空掘巷支护参数如下：巷道为矩形断面，尺寸（宽×高）4.0m×3.0m，锚杆直径Φ22mm，长度L2400mm，间排距800mm×800mm，顶板锚索为Φ18.9mm 的钢绞线，长度L6300mm，间排距1800mm×1600mm，如图3 所示。

图3 正常区域巷道支护断面图

2）残余煤柱影响区域沿空掘巷支护方案。在上水平采空区残余煤柱影响范围内，采用残余煤柱影响区域沿空掘巷支护方案，主要包括残余煤柱及其两侧30m 范围内下方的沿空掘巷区域，支护参数如下：巷道为矩形断面，尺寸（宽×高）4.0m×3.0m，锚杆直径Φ22mm，长度L2400mm，间排距800mm×800mm，顶板锚索为Φ18.9mm 的钢绞线，长度L7300mm，锚索采用“212”布置方式，如图4 所示。

图4 残余煤柱区巷道支护断面图

3）特殊区域沿空掘巷支护方案。在顶板出现黄泥或伪顶极为破碎，现场无法施工锚杆（索）的区域，采用特殊区域沿空掘巷支护方案，支护参数如下：巷道为矩形断面，尺寸（宽×高）4.0m×3.0m，顶板采用“单体液压支柱+ 工字钢棚”进行支护，棚距800m，巷道两帮采用锚杆支护，锚杆直径Φ22mm，长度L2400mm，间排距800mm×800mm。

4 技术及经济效益分析

4.1 围岩变形特征分析

依据上述技术方案，展开5m 窄煤柱沿空掘巷工业性试验，2102 回风顺槽采用分段支护方案，巷道掘进阶段围岩变形量很小， 基本控制在10～20mm，2102 工作面回采过程中对沿空巷道的围岩变形量进行了观测，绘制如图5 所示的围岩变形曲线。如图6 所示，当测点距离回采工作面40m时，沿空巷道开始发生快速变形，当距离回采工作面20m 时，围岩变形速度达到最大，当工作面推进到测站位置时，巷道顶两帮相对移近量为980mm，顶底板相对移近量为580mm，基本可满足工作面回采的需求。

图5 围岩变形量观测

4.2 经济效益分析

沿空掘巷具有提高煤炭回收率的优点，本节对2102 工作面采用窄煤柱沿空掘巷前后工作面可采储量进行估算，已知2104 工作面采空区距3 条大巷约270m，2102 工作面推进长度按560m 计算，平均煤厚6.0m，采高 3.0±0.1m，放煤高度 3.0m，采放比为 1：1，底分层回收率为95%，顶煤回收率为85%，煤的容重1.4t/m3。

1）宽煤柱：大巷留设75m 保护煤柱，相邻工作面留设20m 煤柱，此时，2102 工作面长度175m，可采储量 Q1=175×560×（3×0.95+3×0.85）×1.4=74 万 t。

2）窄煤柱：2102 回风顺槽进行沿空掘巷，大巷留设75m 保护煤柱，相邻工作面留设5m 煤柱，此时，2102 工作面长度190m，可采储量Q2=190×560×（3×0.95+3×0.85）×1.4=80 万 t。

综上计算，2102 工作面采用窄煤柱沿空掘巷布置后，可多回采原煤6 万t，工作面煤炭回收率提高了8%。

5 结 论

1）为提高黑龙煤业2102 工作面单产以及煤炭回收率，最终确定2102 工作面回风顺槽采用窄煤柱沿空掘巷布置方式，煤柱宽度设计为5m。

2） 针对2102 工作面回风顺槽不同区域地质条件，沿空掘巷设计了不同的支护方案，包括正常区域沿空掘巷支护方案、残余煤柱影响区域沿空掘巷支护方案、特殊区域沿空掘巷支护方案。

3）沿空巷道在工作面回采过程中，巷道顶两帮相对移近量为980mm，顶底板相对移近量为580mm，基本可满足工作面回采的需求。采用沿空掘巷技术可多回采原煤6 万t，工作面煤炭回收率提高了8%。