开拓煤业3115 回风顺槽沿空掘巷关键参数研究与应用

虎晓宏

（山西潞安集团蒲县开拓煤业有限公司，山西 临汾 041206）

1 工程概况

开拓煤业3 号煤层厚度约2.2～2.4 m，煤层倾角3°，有一层夹矸约0.2～0.4 m，结构较简单，属稳定可采煤层。顶板为细粒砂岩，底板为泥岩。3115回风顺槽是为满足3115 工作面回风、运料、行人所掘的巷道，东为凤凰台煤业，西为该矿主要大巷，南为3113 已采工作面，北为设计的3115 工作面。

3#煤层现阶段工作面间区段煤柱宽度多为35～40 m，3113 回风顺槽护巷煤柱宽度为40 m。3113 工作面回采期间，工作面前方90 m 沿空侧巷道表面变形量开始变大。以巷道中线及腰线为轴，巷道顶底板及两帮表现不对称破坏特征，竖直方向：靠近煤柱一侧顶板下沉量明显大于靠近实体煤一侧；水平方向：煤柱帮片帮内移量明显大于实体煤帮。结合以往沿空巷道破坏特点，提出3115 回风顺槽支护原则：非对称支护原则，加强煤柱帮及煤柱侧顶板的支护；高预紧力支护原则，加大锚索预紧力，减小顶板下沉；吊顶、控帮的三位一体原则，煤柱帮一侧增设锚索+槽钢提升刚度，调整顶板锚索角度，减小煤柱侧顶板回转下沉量。

2 最优护巷煤柱宽度模拟研究

为解决大煤柱顺槽支护效果差、回采率低的问题，拟采用小煤柱护巷的方式进行巷道布置。参考以往的相关研究成果[1-3]，护巷煤柱的宽度对于沿空巷道的稳定性具有显著的影响，为确定3115 回风顺槽的最佳煤柱宽度，以3115 回风顺槽掘进及3115工作面回采为工程背景，建立三维数值模拟模型，研究分析最佳的护巷煤柱宽度。参考相似地质条件下小煤柱沿空掘巷成功应用实例[4]，设计煤柱宽度分别为5 m、8 m、15 m 三个方案，三维数值模型如图1（a）。3 号煤煤层厚度2.3 m，巷道沿顶板掘进，两侧工作长度为100 m，模型边界条件如图1（b），模型顶面施加8.7 MPa 竖直向下的边界载荷。

图1 数值模拟模型及边界条件详图

模拟步骤：模型计算平衡得到初始地应力场→3113 工作面的逐步回采（每次开挖步距2.4 m，共开挖50 次，推进120 m）→不同护巷煤柱宽度条件下3115 回风顺槽开挖支护（巷道断面宽×高=4.6 m×4.2 m，每次开挖10 m，分12 次开挖）→3115 工作面回采（开挖步距2.4 m，共开挖50 次，推进120 m）。模拟过程中，3115 回风顺槽开挖完成后，记录巷道长度方向中部截面巷道顶板、底板、两帮的变形量，整理结果如图2（a）。3115 工作面回采60 m 时，记录超前工作面10 m 处3115 回风顺槽围岩表面变形量，整理结果如图2（b）。

由图2（a）结果可看出，沿空巷道掘进期间，围岩表面主要变形表现为窄煤柱帮内移及顶板的下沉。煤柱宽度为5 m 时，围岩表面变形最严重；护巷煤柱宽度增大至8 m，巷道表面变形量显著减小，窄煤柱帮内移量由381 mm 减小为177 m，减小了46.5%，顶底板及实体煤帮变形量同样减小30%～40%；护巷煤柱15 m 时，相对煤柱宽度8 m，同等条件下巷道表面位移量减小约15%～30%，巷道表面位移量的差值显著小于护巷煤柱宽度为8 m、5 m 之间的差值。由图2（a）结果可看出，工作面回采期间，煤柱宽度为8 m 时，沿空巷道变形量相对煤柱宽度为5 m 时显著减小，煤柱宽度为15 m相对煤柱宽度为8 m，沿空巷道变形量差值显著较小。综上可得，护巷煤柱宽度为8 m，沿空巷道围岩稳定性相对于煤柱宽度5 m 显著提高，综合考虑经济、资源利用率等因素，确定护巷煤柱宽度设计为8 m 最为合理。

图2 沿空巷道围岩位移情况模拟结果

3 3115 回风顺槽支护设计

采用悬吊理论分析计算确定3115 回风顺槽支护参数[1]，顶板锚网索支护：每排6 根锚杆，间距为0.8 m，垂直顶板打设，考虑实际施工中的偏差，允许5°误差，排距为0.7 mm，锚杆直径为22 mm，长为2.4 m，采用6“眼”W 型钢带，规格：Φ12-5-80-4400 mm；采用网孔50 mm×50 mm菱形网护顶。锚杆锚固剂：一支MSK2335（在上）和一支MSZ2360（在下）型树脂药卷，锚固长度为1.2 m。顶板锚索布置：锚索每排布置两根、三根交替，以巷道中心线向左右两侧各1.6 m 间距均匀布置，排距为1.4 m。锚索规格及布置方式：直径21.7 mm，长6.2 m；配备300 mm×300 mm×12 mm 拱形托盘，采用一支MSK2335（在上）和两支MSZ-2360（在下）树脂药卷锚固。

两帮锚杆规格及布置方式：锚杆直径20 mm，长2.0 m，每侧锚杆5 根/排，靠近顶板的锚杆距顶板0.25 m，向上倾斜15°打设，靠近腰线的3 根锚杆水平布置，靠近底板的锚杆与底板间距为0.15 m，向下倾斜15°安装，结合现场实际施工的偏差，允许5°的安装误差，间排距0.8 m×0.7 m，采用与顶板锚杆相同的锚固方式，两帮采用聚丙烯双抗网护帮。窄煤柱侧补强加固措施：巷道掘进期间，滞后迎头约100 m 开始进行补强支护，锚索为直径17.8 mm 预应力钢绞线，长4.2 m，间排距1.5 m×1.4 m，每排两根，上部一根距顶板1.4 m，下部一根距底板1.3 m，两根锚索间由长度1.7 m 的16#槽钢联结，锚索锚固方式与顶板锚索相同；同样在滞后迎头100 m 左右位置开始进行注浆作业，每排施工3 个深度2500 mm 的注浆孔，布置间排距均为1.4 m，注浆管支架42 mm，长度1.5 m，采用425 硅酸盐水泥添加8%的ACZ-1 配置浆液，首先注最上方的注浆孔，注浆压力控制在4～6 MPa。综上，3115 回风顺槽支护详情如图3。

图3 3115 回风顺槽支护详图（mm）

4 现场应用及矿压监测

3115 回风顺槽留设8 m 的护巷煤柱，采用上述支护方式掘进期间，监测巷道顶底板及两帮中部的移近量，采用数据处理软件得到顶底板、两帮相对位移量随着成巷时间的变化曲线如图4（a）。可以看出，巷道围岩表面位移增加较快，巷道开挖支护约25～30 d 时，围岩表面位移量增速基本趋近于零，两帮移近量维持在214 mm，顶底板移近量维持在149 mm，巷道表面整体变形量在合理可控范围内，能够满足巷道正常使用功能的断面需求。3115 工作面回采期间，超前工作面100 m 处设置煤柱应力监测点，钻孔应力计长度1～6 m，观测频率2 d/次，整理得到煤柱内应力变化规律如图4（b）。超前工作面约90 m，煤柱内垂直应力开始逐渐增大，距工作面10 m 附近，煤柱内垂直应力达到峰值，且煤柱内3～5 m 应力较大，该部分为应力集中峰值区域，可认为煤柱内3～5 m 为弹性核区，对巷道顶板起到良好的支撑作用。

图4 现场应用期间监测数据整理结果

5 结论

开拓煤业3#煤层回采工作面沿空巷道围岩表面位移呈现显著的非对称性，结合围岩变形特征，提出非对称支护理念，并设计具体的巷道支护参数及补强加固措施，数值模拟研究分析确定最合理的护巷煤柱宽度为8 m。现场应用期间，巷道表面位移量及煤柱内应力监测结果表明，此次研究设计的沿空巷道支护参数及护巷煤柱宽度较合理，沿空巷道表面变形量在合理可控范围内，提高了资源利用率及生产的安全性，可在后续工作面推广使用。