综采工作面窄煤柱沿空掘巷支护技术研究

2021-04-12张兵强

山东煤炭科技 2021年3期

张兵强

（山西沁和能源集团南凹寺煤业有限公司，山西晋城 048000）

1 工作面概况

南凹寺煤矿30407 工作面为综采工作面，主采3#煤层，煤层厚度为7.3～8.8 m，平均煤厚8.05 m。30407 综采工作面走向长度943 m，倾向长度180 m，煤层倾角2°～5°，平均3°30′。煤层基本顶为8 m 厚中粒砂岩，直接顶为5 m 厚灰黑色砂质泥岩，直接底为3 m 厚灰黑色厚层状砂质泥岩，基本底为灰白色厚层状中粒砂岩，厚度为6 m。

2 煤柱留设方案分析

南凹寺煤矿以往在布置临近采空区工作面时，为保证掘巷的安全，留设35 m 大尺寸煤柱，造成了大量的资源浪费。为避免资源浪费，增加矿井的经济收入，30407 综采工作面运输巷将以沿空掘巷的方式设计，并对其煤柱留设方案进行分析[1-6]，使资源采出最大化的同时，保证其安全掘进。30407工作面运输巷临近30405 工作面采空区，30405 工作面已回采结束8 个月，采空区已基本压实。

数值模拟技术能够对煤岩体等材料进行三维结构受力特性仿真计算。根据地质资料和生产情况，采用FLAC3D计算软件对3 m、5 m、7 m、10 m 和12 m 五种煤柱留设方案进行数值模拟。

通过FLAC3D仿真计算软件对以上五种方案进行模拟，发现煤柱留设方案所造成的巷道围岩位移量、顶板应力分布情况、塑性区域分布都差别不大。煤柱留设越小，巷道围岩的位移量越大，但是煤柱受高应力集中影响范围越小，有利于保证沿空掘巷掘进时的巷道围岩稳定性。在采取大煤柱留设方案时，前期沿空掘巷掘进受影响较小，巷道围岩稳定性强，但随着巷道向前掘进，巷道两帮越来越受到应力集中的影响，煤柱受高应力影响范围增加，巷道围岩变形速度加快，对巷道长时间掘进稳定性造成严重影响。

根据FLAC3D仿真计算软件的数值模拟结果分析，沿空掘巷采用5 m 的煤柱留设方案最为科学合理，既能够保证巷道长期稳定，满足回采需求，又能提高煤炭采出率，增加矿井生产收益。

3 沿空掘巷支护方案设计

3.1 锚杆支护

30407 工作面沿空掘巷设计断面面积23.2 m2，巷宽4 m，上段巷高3 m，下段巷高2.8 m。3#煤层位于地表以下180 m，埋深浅，因此，在巷道掘进期间采用锚杆+金属网+矿用梯子梁的支护形式。沿空掘巷支护设计图如图1，巷道主要支护参数见表1。

图1 沿空掘巷支护设计图

表1 沿空掘巷主要支护参数

3.2 注浆加固

为提高巷道支护的效果，设计采用注浆加固的形式对沿空掘巷支护方案进行进一步加强。将混合浆液通过钻孔压入巷道周围的破碎煤体内，浆液具有渗透性强、易凝固的特点，能够使破碎煤体胶结在一起，成为一个整体，从而提高煤体的受力性能，增强承压能力，提高巷道的稳定性。

注浆加固材料选用水泥、固化剂、水按1:1.5:0.5配比进行调配。为最大化注浆效果，注浆孔打设深度定为2.4 m，注浆压力定为1～1.5 MPa。在距巷道顶板0.6 m、巷道底板0.6 m 位置布置注浆孔，巷道中部注浆间距0.8 m。注浆加固钻孔布置如图2。

图2 注浆加固钻孔布置图

4 沿空掘巷围岩位移观测

4.1 顶板下沉监测分析

在30407 综采工作面切眼以外180 m 处布置围岩位移观测点。通过观测分析沿空掘巷掘进时巷道顶板围岩的位移量，发现巷道顶板围岩总体位移量较小，如图3。巷道在掘进过后10 d 内，巷道顶板围岩有下沉现象，平均下沉量为1.6 mm/d，10 d 后顶板围岩的下沉速度明显变小，30 d 后巷道顶板围岩开始稳定。沿空掘巷掘进期间顶板围岩下沉量共计23 mm，围岩位移情况较小。工作面开始回采后，前10 d 内，由于观测点距切眼距离较远，测得顶板下沉量为1.8 mm/d，随着工作面的回采进度，巷道顶板围岩受采动影响，顶板下沉速度明显增加，观测顶板围岩下沉量为6 mm/d，工作面回采30 d 后，顶板围岩下沉量累计到128 mm 后，下沉速度略有降低，工作面回采至60 d 后，巷道顶板围岩下沉量达到135 mm。

图3 30407 工作面顶板围岩下沉量曲线图

4.2 巷道两帮位移监测分析

如图4 所示，30407 工作面沿空掘巷在掘进时，巷道两帮围岩位移量较小，在掘进15 d 时，两帮围岩位移量为125 mm，然后巷帮趋于稳定。工作面在回采之前，已按设计对留设煤柱进行注浆加固，注浆加固后的煤柱承压能力和稳定性显著增加。在工作面回采时煤柱侧巷帮围岩位移量仅为50 mm，实体煤侧巷帮在工作面回采初期就出现巷帮变形，并且随工作面回采进度，巷帮围岩位移速度明显增加，工作面回采至60 d 后，实体煤侧巷帮围岩位移量为900 mm，结果表明对工作面回采影响较小。通过锚杆+金属网+梯子梁的支护设计以及对留设煤柱进行注浆加固的方案对巷道围岩位移情况的控制效果良好，能够满足工作面的生产需求。