简述中厚煤层留窄煤柱沿空掘巷支护技术

＊李树仁

（晋中长泰安全科技有限责任公司 山西 030600）

1.项目概况

(1)项目背景

以某煤矿区30100工作面为研究对象，30100工作面的深度为100m，东侧为工作面开切眼，西南侧和北侧均为采空区，东南侧则是井田边界。30100工作面采用的现代机械化采煤工艺，整体走向长度是1048m，倾向长度是210m。由于30100工作面为窄煤柱沿空掘巷实验工作面，为保证采煤工作顺利进行，现需要沿着北侧采空区的运输巷预留出适当宽度的窄煤柱。

(2)地质情况

对30100工作面煤层顶底板地质情况进行调查分析，主要分为基本顶、直接顶、直接底和基本底。具体的地质情况为：①基本顶的岩性为粉砂岩，平均厚度是8.5m，基本顶的特征表现为泥质胶结，局部存有粉砂岩薄层；②直接顶的岩性为粉砂质泥岩，平均厚度是1m，其表现特征大致与基本顶相同，但比基本顶要容易垮落；③直接底的岩性和平均厚度与直接顶一致，但表现特征不同，其呈块状层发育，且局部存有细砂岩薄层；④基本底的岩性与直接底一致，但平均厚度是4m，特征表现为块状层理，硬度中等。

2.中厚煤层留窄煤柱沿空掘巷支护技术要点

(1)窄煤柱宽度的合理确定

窄煤柱宽度的合理确定是中厚煤层留窄煤柱沿空掘巷支护技术的关键之一。对于窄煤柱宽度的确定，考虑基本顶是对沿空掘巷稳定性影响最大的岩层，所以需要充分考虑区段中基本顶破断位置深入到煤壁的距离，并对其断裂后所形成的弧形三角结构运动以及对沿空掘巷围岩稳定性影响规律深入进行研究。基本顶断裂后形成的弧形三角结构运动如图1所示。另外，考虑沿空掘巷三角结构运动的稳定性也会受到基本顶在侧向煤壁内的断裂位置影响，主要体现在应力分布规律、窄煤柱宽度、巷道围岩完整性上，其中窄煤柱宽度是重点关注对象。

图1 沿空掘巷三角结构模型

为合理确定窄煤柱宽度，先将基本顶以上的软弱岩层视作应力荷载，随着工作面采动的影响，图1中B的上部软弱岩层会与其硬岩层相分离，且无法进行力的传递。在工作面回采后，基本顶破断位置基本在煤体弹塑性交接位置。为获取断裂位置深入煤壁的距离，可采用公式计算，在公式中，m表示工作面采高，取值是2m；A是测压系数，取值为0.25；φ0表示煤体内摩擦角度，取值为30°；C0表示煤体黏聚力，取值是4MPa；K表示应力集中系数，取值为1.5；γ是上覆岩平均容重数，参数为18MN/m³；H表示巷道的埋设，即100m；Pz表示的是上区段工作面煤层的支护强度，参数为0.25MPa。在确定这些参数后，将其带入到上述公式中计算，可得知x0为2.53m。

在确定上区段基本顶破断位置深入煤壁的距离后，根据极限平衡理论进行窄煤柱宽度的合理确定。具体的公式为B=x1+x2+x3，其中，用B来表示窄煤柱宽度；用x1来表示采空区影响的塑性宽度；用x2来表示窄煤柱帮采用的锚杆有效长度，参数为1.3m～1.8m；用x3来表示窄煤柱宽度的富裕系数。为了能够充分保证窄煤柱的稳定性，x3取0.2（x1+x2）。由于x1=x0，通过整合上述两个公式，可获得合理窄煤柱宽度B为4.83～5.55m，取整是5m。

(2)支护方案的设计

①支护方式及支护参数确定

在运用沿空掘巷支护技术时，还需要充分考虑支护方式及支护参数的合理性，这也是保证巷道支护稳定性的重要因素之一，更是保证综采工作面安全回采的关键之一。针对窄煤柱宽度为5m，在设计巷道支护方案时，项目组采用了综合支护方式，主要包括窄煤柱侧锚杆支护、顶板锚杆支护和锚索联合支护，同时综合支护的方式在巷道内建立起一个完整的承载体系，以此对巷道岩体进行主动支护。而根据30100工作面煤层顶底板地质情况，在进行工作面辅助运输巷断面设计时，其形状为矩形，规格为5m×2.4m。具体的支护参数如图2所示。

图2 巷道断面设计支护参数

A.锚杆支护的参数。在顶板使用规格为φ20mm×2200mm的左旋螺纹钢锚杆，排间距是1000mm×900mm，每排设置5根锚杆，为稳固锚杆，同时还配合使用了国家标准的Q235钢托板，其规格是100m×100m×8mm。所设计的锚杆固力＞50kN，预紧力＞30kN。

B.锚索支护的参数。锚索布置的位置是顶板，规格为φ15.24mm×6000mm，共设置了两排，排间距是2m，同样为了稳固锚索，也配合使用了国家标准的Q235钢托板，规格与锚杆使用的有所不同，规格为12mm×300mm×300mm钢托板。为达到有效的支护效果，设计的锚索预紧力＞100kN，并需要在顶板处铺设一层6mm钢筋网，网孔的规格是100mm× 100mm，网片规格是1100mm×4800mm。

②支护方案的稳定性分析

在基于30100工作面地质条件的基础上，对支护方案的稳定性进行分析，也就是对工作面沿空掘巷预留的窄煤柱稳定性进行分析，具体通过模拟的方法，模型为150m×120m×39m，通过模型底部限制垂直移动、上部施加覆岩等效载荷、煤采深100m，获取巷道煤岩层的物理学参数，具体见表1。

表1 煤岩物理力学参数

根据上述模拟数值，对巷道掘进后支护稳定性及工作面采动后的巷道支护稳定性进行分析。首先，对巷道掘进后支护稳定性进行分析，在窄煤柱宽度为5m时，巷道两侧围岩应力分布有明显的差异，且垂直应力在巷道顶板影响范围增大，水平应力在巷道两侧的峰值出现迁移，且属于煤岩层强度允许的范围内，由此可见实施这一支护方案，可以有效控制掘进巷道围岩的稳定性。其次，对工作面采动后的巷道支护稳定性进行分析，在窄煤柱宽度为5m时，观察发现巷道两侧的围岩应力分布有非常明显的差别，且在实体煤侧较为集中，这表明煤壁有失稳的可能性。为确保其是否在安全允许的范围内，通过现场实测的方式进行确定，在具体的实测中，重点对围岩裂隙发育情况、表面位移情况、顶板离层情况及锚杆荷载情况进行分析。共设置了4个实测站，第一个测站设置在巷道口50m处，之后每隔100m设置1个测站。经过现场实测后，30100工作面回采期间，综采工作面机尾超前0m处时巷道变形最大，两帮最大移近量是700mm，顶底板最大移近量是73mm；而对于30100工作巷超前50m的两帮移近量和顶板移近量。

通过分析可知，采用宽度为5m的窄煤柱沿空掘巷支护方案，能够满足工作面安全回采的需求。

3.结论

本文结合以某煤矿工作面为研究背景，对窄煤柱沿空掘巷技术进行了分析，得知该技术应用的关键在于窄煤柱宽度的合理确定及其支护方案的合理设计。通过分析得知，窄煤柱宽度为5m，窄煤柱沿空掘巷围岩支护方案采用了综合支护方案，包括窄煤柱侧锚杆支护、顶板锚杆支护和锚索联合支护。为了确保这一支护方案达到理想的效果，基于窄煤柱沿空掘巷围岩结构特征的基础上，通过模拟数值对巷道掘进后支护稳定性及工作面采动后的巷道支护稳定性进行分析，先是确定支护方案及其参数，检查是否符合巷道掘进及工作面安全回采的要求，之后在进行现场实测，经过现场实测后发现，采用5m宽度的窄煤柱沿空掘巷支护技术，可满足现场安全生产的需求，且有较显著的经济效益，因此值得在类似矿井中推广应用。