凌志达矿小煤柱沿空掘巷围岩控制技术研究

杨鹏飞，栗鹏飞，张广杰

（1.山西凌志达煤业有限公司，山西 长治 046066；2.河南理工大学河南理工产业技术研究院，河南 焦作 454003）

当前煤矿科技的快速进步，煤矿开采强度逐渐增加，煤层承受的集中应力也相应地变大，导致巷道掘进后所出现的冲击地压、围岩变形严重及煤与瓦斯突出等问题比较突出，传统的大煤柱护巷巷道往往也面临这些问题[1，2]。而小煤柱沿空掘巷不仅可以多回采煤炭量，减少了煤炭资源的大量浪费，还对于解决煤矿突出灾害问题起到一定的促进作用，是我国煤矿绿色安全高效发展的主要发展方向[3]。

近年来，许多专家学者对沿空掘巷技术作了大量的科研工作，并取得不错的现场应用效果。张农等[4]研究了动压影响下沿空掘巷煤柱侧不稳定特征，将预应力组合支护措施应用于现场。柏建彪等[5，6]基于矿井埋深大、煤层倾角大的条件下实施沿空掘巷时，其覆岩运动特征作了研究分析，并提出相应的围岩控制措施。华心祝等[7]基于孤岛工作面的背景下沿空掘巷矿压显现规律作了模拟研究，提出锚网支护和注浆加固联合支护技术。张东升等[8]采用预先浇筑混凝土墙替换小煤柱方式的沿空掘巷技术作了研究，并在现场进行了应用。姜耀东等[9]针对具有地应力反演特性的构造应力区条件下进行沿空掘巷时其小煤柱合理尺寸的确定进行了研究，认为煤柱宽度是决定沿空掘巷成功的关键。

本文以凌志达矿15207工作面为研究背景，基于该矿煤层上方存在一层较厚的坚硬石灰岩，对小煤柱沿空掘巷技术展开研究，实现在工作面回采时能够安全稳定，为相似沿空掘巷工程的实施提供技术参考。

1 工程概况

山西凌志达煤业有限公司（全文简称凌志达煤矿）15207工作面开采15号煤层，煤厚为4.22 m左右。煤层倾角为3°~6°，局部地段倾角可达8°~12°。煤层层理、节理发育，绝对瓦斯量0.9 m3/min，为低瓦斯矿井；煤层自燃倾向性为二级。煤层爆炸指数10%，有爆炸危险性且易自燃。矿井正常涌水量为330 m3/h，不会对回采造成很大作用。煤层顶底板情况具体见综合柱状图1所示。

图1 煤层综合柱状图

15207工作面为15102工作面接替面，在矿井二采区的西边，西边为15209采空区，南边为东翼辅运大巷，东边、北边均是没有开采的煤田，工作面布置示意如下页图2所示。15027工作面采用长壁式综采一次采全高的采煤方法，通过全部垮落的方式进行处理采空区顶板。

图2 工作面布置示意图

以往凌志达煤矿区段煤柱普遍留设20 m，大大降低了煤炭的回采量，引起煤炭资源浪费严重，还使煤柱处于应力集中区域，由于15号煤层上方基本顶为坚硬的石灰岩，极易引起巷道变形破坏严重，不利于巷道维护。况且当前该矿采掘部署接替比较紧张，因此，研究顶板比较坚硬的情况下小煤柱沿空掘巷技术具有重要意义。

2 沿空掘巷覆岩结构及煤柱宽度研究

2.1 沿空掘巷覆岩结构运动特征

小煤柱沿空掘巷是一类特殊的巷道，具有巷道围岩变形大、甚至破碎严重的特点[10]，而影响沿空掘巷稳定的关键因素是上区段工作面回采后采空区基本顶垮落情况，因此掌握上区段工作面采空区基本顶垮落位置对沿空掘巷至关重要。

当上区段工作面自初采推过一定距离后，随着采空区上方关键岩层首次出现破断（即初次来压时）并且产生“O-X”型破断，如图3-1所示；而在采煤工作面不断地开采到采空区上方关键岩层出现周期性破断的过程中，关键岩层发生了类似半个“O-X”型的状态，工作面端部的破断看似弧形状态，出现弧形三角块B，如图3-2所示，图中关键块A、B、C形成铰接结构[2]。而在本工作面巷道沿空掘进及回采时则会引起上覆关键岩层失去稳定性，关键块A则因旋转力矩的作用导致关键块B旋转下沉，造成沿空掘巷周围大结构失衡，而小煤柱沿空巷道的煤柱侧可能发生变形破坏。上覆关键岩层的断裂位置将会影响沿空掘巷三角块结构的稳定性，对采空区侧煤体的应力特征、小煤柱宽度的确定及围岩整体稳定状态造成很大的影响。上覆关键岩层上方的岩层当作作用在关键块体上的重力，因动压影响关键块B上方的岩层则会出现离层、失去力学联系[11]。而关键块B则以给定变形的形式影响其下方的直接顶和煤体。

因此，进行沿空掘巷时若要确保其围岩不发生变形破坏，既应使沿空掘进的巷道适应其覆岩大结构发生旋转下沉等情况，还应保证沿空巷道围岩适应围岩小结构的活动，并对巷道进行加强支护，确保沿空巷道满足工作面正常回采的使用要求。

图3 沿空掘巷与上覆岩层间的时空关系示意图

2.2 小煤柱合理宽度的确定

确保沿空掘巷巷道围岩稳定和小煤柱稳定的关键是煤柱宽度，合理的煤柱宽度能够保证沿空掘进的巷道稳定可靠。按照极限平衡理论和弹性理论，结合相关研究成果可知，小煤柱合理宽度经验公式[11]为：

式中：B为小煤柱宽度，m；h为煤厚，m；a为侧向压力系数，0.25；φ为煤的内摩擦角，35°；C为煤的黏聚力，4 MPa；K为应力集中系数，1.5；γ为覆岩容重，18 MN/m3；H为巷道埋藏深度，m；P为临近面巷道帮部支护强度，0.25 MPa；L为锚杆有效长度，取1.8 m。

根据公式计算并结合现场实际条件，确定小煤柱合理尺寸为5.0 m。

3 沿空掘巷围岩控制技术研究

3.1 围岩控制对策

根据沿空掘巷覆岩结构特分析及小煤柱宽度的确定，结合15207工作面实际地质情况，提出以高强预应力锚杆（索）支护、顶板和煤柱帮加强支护、相邻断顶卸压技术以及巷道矿压监测等为基础的综合控制对策施进行15207回风巷掘进。

在高强预应力支护基础上形成高强稳定型支护措施：

1）高强预应力锚杆（索）支护系统。普通锚杆（索）难以确保特殊地质条件的巷道围岩稳定，而高强预应力锚杆（索）则能够达到锚固性能好、强度高，比较容易达到有效的预紧力，并且配合金属网、钢带可以有效控制沿空掘进的巷道围岩整体稳定[10]。

2）顶板加强支护（组合锚索）。组合锚索是有一个锚索托盘及多根锚索线组成的，除了常规的顶板支护外，补打组合锚索可以提高巷道顶板整体强度和承载能力。

3）煤柱帮加强支护（短锚索支护）。小煤柱巷道刚开始被开挖后，往往会出现巷道变形比较大的现象，为了能够确保小煤柱的整体稳定，除了常规煤柱帮采用锚杆支护外，可以采用短锚索进行加强支护，以弥补锚杆支护强度在地质条件差时起不到效果的不足；如果煤柱帮破碎严重时则采取注浆的方式进行加固煤柱帮。

4）相邻断顶卸压技术。由于该矿上方基本顶为坚硬的石灰岩，工作面开采前巷道可能变形不大，但受工作面采动的作用，往往会使小煤柱巷道出现顶板下沉量大、底鼓量大及两帮变形严重等问题，为了解决该问题，提出相邻断顶卸压技术，即在工作面前方小煤柱巷道靠近煤柱侧的顶板采用爆破预裂技术将巷道上方的基本顶岩层与上工作面采空区基本顶岩层的应力联系切断，确保本工作面回采时不受临近采空区的影响。

5）巷道围岩监测技术。为了掌握小煤柱巷道在开挖、工作面开采时围岩变化情况，通过在巷道内设置变形观测、锚杆（索）受力载荷情况及顶板离层情况等监测内容，以根据监测结果适时采取相应的措施保证工作面能够安全回采。

3.2 掘巷支护方案

根据前文所述保证小煤柱巷道围岩稳定的主要方式是通过锚杆（索）将围岩应力传递至围岩深部，进而使巷道周围岩体内部出现整体稳定的承载层，并起到主动支护的效果。根据煤层顶底板岩性情况可知，15号煤层上方关键岩层是比较坚硬的灰岩，含少量泥岩，软弱夹层发育较少，岩石以水平层理为主，可视为层状顶板，所以可采用组合梁理论进行确定支护参数。15207工作面回风巷采取沿顶留底的方式掘进，为矩形断面，尺寸为：宽×高=5.0 m×3.5 m。具体支护参数如图4所示。

3.2.1 巷道顶板支护方案

顶板采用Φ20 mm×2 400 mm的左旋无纵筋螺纹钢锚杆进行支护，屈服强度大于500 MPa，每排6根锚杆加W型钢带，间排距900 mm×1 200 mm，距帮部较近的顶锚杆与巷道轴向成15°夹角，距离两帮均为250 mm，其他锚杆均垂直顶板打设，预紧力矩达到100 N·m。采用两支型号为MSCK2335和MSK2360的树脂锚固剂，锚固方式为先放前者，后放后者；锚固的长度应达到950 mm，锚固力达到100 kN（25 MPa以上）。托盘为150 mm×150 mm×8 mm预应力托盘。W型钢带及钢筋网护表。

图4 巷道支护方案断面图（mm）

在两排锚杆之间打设锚索或组合锚索，锚索为Φ17.8 mm×6 000 mm的钢绞线，间排距为1 800 mm×2 700 mm，靠近煤柱侧的为组合锚索，靠近回采帮侧的为锚索，与顶板垂直，托盘为300 mm×300 mm×16 mm的钢托盘。组合锚索由3根锚索与组合锚索托盘组成，均为Φ17.8 mm×8 000 mm钢绞线，成等腰三角形布置，托盘为500 mm×500 mm×16 mm的钢板。

3.2.2 巷道回采帮支护方案

回采帮采用Φ20 mm×2 000 mm的左旋无纵筋螺纹钢锚杆进行帮部支护，间距1.3 m，排距1.2 m，自上而下第一根锚杆距顶板0.4 m，第三根锚杆距底板0.5 m，每帮每排3根。帮部顶锚杆仰斜20°布置，其余垂直巷帮布置，锚杆预紧力矩必须大于100 N·m，采用型号为MSK2360的树脂锚固剂一支，锚杆锚固的长度必须达到0.6 m，锚杆锚固力必须大于100 kN（25 MPa以上）。

3.2.3 巷道煤柱帮支护方案

煤柱帮采用Φ20 mm×2 000 mm的左旋无纵筋螺纹钢锚杆、Φ17.8 mm×2 000 mm的高强预应力锚索等联合支护方式，间排距均为1.0 m。采用型号为150 mm×150 mm×10 mm的预应力锚杆托盘以及型号为300 mm×300 mm×16 mm的锚索钢托盘。自上而下第一根距顶200 mm打设锚索，其夹角为上偏20°；第四根距底板300 mm打设锚杆，其夹角为下偏15°；第二、第三根为锚杆与锚索交替布置，均垂直巷帮，参数保持一致。回采帮和煤柱帮均采用450 mm×280 mm×5 mm的W型钢护板及50 mm×50 mm的网格菱形金属网护表。

3.3 掘巷效果分析

为掌握15207工作面小煤柱沿空掘巷巷道围岩控制效果，在掘巷段进行表面位移观测，根据变形情况进行制定相关控制措施。观测结果如下页图5所示。

由图5可知，两帮移近量105 mm，顶底板移近量94 mm，说明前文支护方案能够有效控制15207回风巷变形，掘巷围岩整体稳定好，掘巷效果良好，能够满足工作面安全生产要求。

图5 巷道表面位移变形曲线

4 结论

1）对沿空掘巷覆岩运动特征进行了研究分析，影响小煤柱沿空掘巷围岩变形失稳的关键因素是巷道上覆基本顶岩层索形成的弧三角块体。要保证沿空掘巷围岩的稳定性，提出以高强预应力锚杆（索）支护、顶板和煤柱帮加强支护以及相邻断顶卸压技术等为基础的综合控制对策施。

2）根据有限平衡理论和小煤柱经验公式，结合凌志达矿实际地质条件，计算得到15207回风巷小煤柱宽度不大于5 m。现场试验表明，小煤柱巷道在掘进期间两帮变形达到105 mm，顶底板变形达到94 mm，说明掘巷围岩整体稳定好，掘巷效果良好，