庞庞塔矿厚煤层沿空巷道窄煤柱强控技术与应用

周 伟

（霍州煤电集团云厦建筑工程有限公司，山西 霍州 031400）

0 引言

有关资料显示，我国的煤炭资源储量在世界上排名前三，已探明的煤炭资源以近万亿t，同时，我国也是世界上煤炭生产和消费最大的国家，目前我国年生产煤炭约40亿t。在煤炭需求量和开采量不断增加的时代，要求我们合理开采利用煤炭资源，充分提高煤炭回收率，保障煤炭资源的可持续发展[1-2]。据统计，我国厚煤层煤炭储量占比达45%，因此厚煤层的合理开采直接影响我国煤炭行业发展[3-4]。针对厚煤层开采技术，形成了分层开采、综放开采等系列开采技术，其中，综放开采具有成本低、效率高的优点，已广泛应用于各大矿井，在综放开采中，回采巷道一般沿煤层底板布置，这就导致了巷道顶帮均为强度较低的煤体，而邻近工作面的回采巷道一般通过留设一定宽度的保护煤柱，随着开采深部的不断增加，保护煤柱的宽度也随之增加，大多矿井保护煤柱普遍在15～30 m之间[5-6]，这就造成了严重的资源浪费，为此专家学者提出了无煤柱护巷技术，沿空留巷可最大程度提高煤炭回收率，但是其巷道变形一般较大，沿空掘巷一定程度上提高了煤炭回收率，同时将巷道布置在应力降低区域，其围岩应力环境和条件相对较好[7-8]。

1 工程背景

庞庞塔矿10-704工作面开采10号煤层，为矿井七采区，图1给出了10号煤层七采区工作面布置示意图，该工作面北邻10-703工作面，南部为保安煤柱，西部为10-702采空区，东部为未布置的10-706综放工作面，其上方55 m为5号煤层采空区，已回采结束15 a以上，采空区充分垮落。该工作面存在0.5 m厚的炭质泥岩伪顶，直接顶为6.69 m厚的泥岩灰岩，灰色，性脆，裂隙较为发育，基本顶为8.71 m厚的砂质泥岩，灰黑色，薄层状，直接低为1.89 m厚的泥岩，灰色，块状，基本底为2 m厚的细粒砂岩，浅灰色，中厚层状。

图1 10#煤层七采区工作面布置示意图

10-704工作面正巷为矩形断面，宽×高为5.0 m×3.5 m，巷道采用“锚网索带”联合支护技术，顶板锚杆采用规格为ϕ22 mm、L 2 400 mm的左旋螺纹钢高强锚杆，间排距1 000 mm×1 000 mm，两帮锚杆采用规格为ϕ20 mm、L 2 000 mm的左旋螺纹钢高强锚杆，间排距850 mm×1 000 mm，锚杆预紧扭矩不低于400 N·m，同时顶板采用规格为ϕ21.8 mm、L 1 0300 mm的锚索进行加强支护，间排距2 000 mm×1 500 mm，锚索预紧力不低于40 MPa。

10-704工作面正巷为沿空巷道，煤柱宽度6.0 m，现场调研数据显示，工作面正巷发生大变形，实煤体帮变形和局部底臌均超过1.5 m，巷道尺寸不能满足服务要求，需进行必要的修复加固。

2 沿空巷道煤柱变形失稳机理与影响因素分析

工作面回采结束后，其基本顶破断回转形成弧形三角块结构，该结构与邻近的沿空巷道基本顶相互咬合，并产生一定的水平推力，在水平推力的作用下，巷道基本顶与直接顶相对滑移产生一定的剪切力，并传递至煤柱，引起煤柱变形，煤柱变形主要表现为竖直方向的压缩和水平方向的膨胀，图2给出了沿空巷道力学结构示意图。有关研究表明，煤柱破坏范围随煤柱高度、侧压系数的增大逐渐增大，同时，煤柱强度越大，破坏范围越小，因此对煤柱进行必要的支护，可限制煤柱破坏范围的发展。

图2 沿空巷道力学结构示意图

图3 给出了煤柱内的应力演化特征，受工作面采动影响，煤柱的承载能力逐渐增加，当其上覆载荷大于煤体强度，煤柱快速破坏，承载能力大幅度衰减，图中显示，初期煤柱具有一定的承载能力，当承载过大时，承载能力迅速降低，但是其承载能力并未完全丧失，因此，若采用一定的支护手段，改善煤柱状态，可提高煤柱的承载能力。

图3 煤柱内的应力演化特征

煤柱承载状态主要受动载大小、承载时间、煤柱尺寸以及支护结构的影响，综放开采中，由于采出空间较大，采空区不能被冒落矸石有效充填，因此其煤柱所受动载相对较大，承载时间主要受工作面推进速度的影响，综放开采推进速度相对较慢，因此煤柱承载时间较长，煤柱尺寸直接影响其承载能力，煤柱较窄时，煤柱不足以承载相应负荷，煤柱较宽时，造成煤炭资源的浪费，支护结构可以改善煤体力学参数，强化煤柱强度和承载能力，约束煤柱变形。

3 沿空巷道窄煤柱强控机理与技术

采用窄煤柱护巷时，煤柱处于残余支承应力范围，其煤柱均为破碎区和塑性区，此时煤柱极易发生大变形，但是由于煤柱的特殊应力环境，煤柱内中性面具有一定的承载结构，若能提高中性面的承载能力和宽度，则可实现窄煤柱的稳定。

根据庞庞塔10-704工作面生产地质条件，针对性提出沿空巷道窄煤柱强控技术，主要包括实煤体帮刷扩+局部强控技术、窄煤柱帮锚索梁强控技术，具体参数如下：

1）实煤体帮刷扩和局部强控技术：刷去实煤体帮现有支护，并刷扩1.0 m厚的煤帮，增加巷道尺寸以满足服务要求，同时进行锚杆、锚索支护，锚杆采用ϕ22 mm、L 2 500 mm的左旋螺纹钢高强锚杆，间排距1 000 mm×800 mm，上部和下部锚杆与帮部呈15°夹角，顶帮角位置向顶板施工1根高强锚杆，锚杆与顶板呈75°夹角，锚索采用规格为ϕ21.8 mm、L 5 300 mm的钢绞线，间排距1 400 mm×1 600 mm，上部和下部锚索与帮部呈30°夹角，距帮部400 m位置，向顶板施工1根单体锚索，锚索与顶板呈60°夹角，具体参数如图4所示。

图4 实煤体帮局部强控参数

2）窄煤柱帮锚索梁强控技术：采用预应力锚索+工字钢、锚杆+W钢带实现煤柱帮强控，预应力锚索规格为ϕ21.8 mm、L 5 300 mm，工字钢规格11号矿用工字钢，间排距1 600 mm×2 400 mm，锚索与帮部呈30°夹角，采用规格为ϕ22 mm、L 2 500 mm的左旋螺纹钢高强锚杆，间排距1 000 mm×800 mm，具体参数如图5所示。

图5 窄煤柱帮锚索梁强控参数

4 现场应用分析

开发的沿空巷道窄煤柱强控技术应用于10-704工作面正巷，提高了工作面推进速度，工作面推进较慢时（每天1.6 m以下），超前影响范围达80 m，临近工作面区域两帮移近速度超过250 mm/d，直接影响到工作面的正常回采；工作面推进较快时（每天3.2 m以上），超前影响范围在30 m左右，临近工作面区域两帮移近速度约为190 mm/d，移近速度同比降低24%，这是由于超前支承压力随工作面的推进向前移动；工作面推进较慢时，巷帮煤体受应力持续扰动，变形不断加大。

采用沿空巷道窄煤柱强控技术之前，工作面推进速度缓慢，工作面端头附近巷帮变形量在1 000 mm以上，超前工作面30 m位置巷帮变形量在600 mm左右；采用沿空巷道窄煤柱强控技术之后，工作面推进速度有效提高，工作面端头附近巷帮变形量在500～800 mm以上，超前工作面30 m位置巷帮变形量在300 mm左右，变形量同比降低近50%。

5 结论

厚煤层沿空巷道易产生大变形现象，本文以庞庞塔矿10-704工作面正巷为试验巷道，总结分析了试验巷道变形破坏特征，揭示了沿空巷道煤柱变形失稳机理，指出动载大小、承载时间、煤柱尺寸以及支护结构是影响煤柱承载性能的关键因素，据此开发了厚煤层沿空巷道窄煤柱强控技术，现场应用验证强控技术的优越性，具有重要的研究意义。