近距离采空区下窄煤柱沿空掘巷围岩控制技术

程应天

（山西煤炭运销集团金达煤业有限公司，山西 吕梁 032300）

无煤柱[1]、小煤柱[2]开采可提高煤炭资源回收率，是煤矿企业实现绿色、可持续发展的重要技术方法，得到了广泛的推广应用，广大煤矿技术人员也做了大量的研究[3-4]。

1 工程概况

金达煤业现开采10 号煤层，平均埋深390 m。10 号煤层厚为6.0 m，含多层夹矸，煤层相对稳定。10 号煤层采用综放开采，煤层顶板为炭质泥岩和砂质泥岩，之上为9 号煤采空区，9、10 号煤层间距为6.9～12 m。10402 工作面位于井田东南部的四采区，为10 号煤层第二个工作面。工作面长175 m，采用一进一回的通风方式，工作面顺槽为矩形断面，沿煤层底板掘进。运输顺槽净宽4.5 m，净高2.8 m，已掘进完毕；回风顺槽净宽3.5 m，净高2.8 m，正在掘进。10402工作面回风顺槽南部为10401工作面，10402工作面回风顺槽沿10401工作面采空区掘进。由于上部9 号煤层已采空，工作面宽150 m，区段煤柱宽10～15 m，10 号煤层工作面处于采空区下方，且9、10 号煤层工作面布置方向互相垂直（图1），10402 回风顺槽在掘进期间多次通过上覆煤柱应力集中区，巷道围岩控制难度较大。10 号煤层最大水平主应力9.47 MPa，最小水平主应力5.57 MPa，垂直应力5.53 MPa，在量值上属于低值应力区。

图1 工作面布置示意图

2 采动应力影响分析

2.1 上部煤层回采对下部煤层应力影响

按照9 号煤层工作面布置及开采情况，分析其采空区及煤柱下方垂直应力分布，分析其采动应力对10 号煤层垂直应力分布的影响，如图2。

图2 9 号煤层开采后10 号煤层垂直应力曲线

区段煤柱宽度分别为10 m、15 m 时，在区段煤柱下方10 号煤层的垂直应力分别为14.75 MPa、15.09 MPa，不同宽度区段煤柱一侧所形成的应力增高区范围约为10 m。采空区下方的垂直应力为9.24 MPa，略低于10 号煤层的原岩应力9.75 MPa。9 号煤层采空对10 号煤层的主要影响为区段煤柱下方的围岩应力增大，不利于巷道的支护。因此，在掘进10 号煤层巷道时，巷道在进出煤柱10 m 范围时，应特别注意巷道围岩应力增大对巷道的影响，必要时可采取相应的加强支护措施。

2.2 本煤层工作面采动影响

通过数值模拟，分析10 号煤层工作面回采后后方动压影响范围和侧向煤柱塑性区影响范围。通过模拟分析可知，10 号煤层工作面后方动压影响范围为0～280 m，侧向应力峰值距巷帮2.5 m，煤柱采空区侧的塑性区破坏深度约为0.5～1.0 m。综合分析认为留窄煤柱沿空掘巷应滞后工作面300 m 以上。

3 窄煤柱宽度分析

工作面开采后，侧向支承压力呈现先增大再降低至原岩应力的形态，采空区便处于低应力区，利于巷道围岩稳定。为提高煤炭资源回采率，10402工作面回风顺槽巷道采用窄煤柱护巷。

3.1 不同煤柱宽度内应力分析

对5.0 m、5.5 m、6.0 m、6.5 m、7.0 m、8.0 m六种煤柱宽度分别建立数值模型，分析上部煤层采空区和煤柱下方留窄煤柱巷道围岩应力分布曲线，如图3。

图3 10402 工作面回风顺槽围岩的垂直应力分布曲线

通过对比分析可知：（1）窄煤柱内的垂直应力呈现较为明显的非对称分布，主要集中在采空区侧，距离采空区0～3 m 范围内应力集中比较明显；（2）窄煤柱内距离回风顺槽0.5～1.0 m 处的垂直应力有轻微的应力集中，在0.5～2.0 m 范围内的垂直应力逐渐下降并趋于稳定；（3）当煤柱宽为5.0 m 时，煤柱内回风顺槽一侧的垂直应力集中较为明显，最大应力出现在距离回风顺槽0.75 m 处，距离回风顺槽0.75～1.75 m 范围内的垂直应力明显下降；随着窄煤柱宽度的增加，煤柱内回风顺槽一侧的垂直应力集中显现逐渐减弱，当煤柱宽≥6.5 m 时，回风顺槽侧的应力分布较为平缓，有利于回风顺槽一侧巷道的维护；（4）回风顺槽工作帮的垂直应力由巷道表面到煤壁深部呈现先增加后降低并逐渐趋于稳定的趋势，应力集中出现在距离煤壁0～3.0 m 范围内，随着窄煤柱宽度的增加，对应位置的垂直应力逐渐降低。

3.2 不同煤柱宽度塑性区分布

对不同煤柱宽度塑性区分布情况进行分析，如图4。由图可见，留窄煤柱沿空掘巷时，煤柱内的塑性区主要分布于上工作面采空区侧，且主要位于煤壁及顶煤区域、煤柱内部及新掘顺槽表面围岩。煤柱采空区侧煤壁及顶板破坏深度随着煤柱宽度的增加逐渐减小，当煤柱宽度大于6 m 时，采空区侧的顶煤破坏与煤柱内部的塑性破坏区未贯通，煤柱较为稳定，故煤柱宽度应大于6 m。

图4 窄煤柱内及10402 回风顺槽围岩塑性破坏图（煤柱下方）

4 围岩控制技术

4.1 锚杆支护

根据窄煤柱围岩应力分布及塑性区发育情况，结合矿井地质条件，综合确定巷道支护参数如下：

（1）采空区下支护

顶板采用高强螺纹钢锚杆，直径为22 mm，长度为2400 mm，间排距为800 mm×800 mm，每排5根，垂直顶板打设，预紧力矩不小于300 N.m，采用W 长钢带连接，菱形金属网护表；锚索采用直径为22 mm、长度6300 mm 的预应力钢绞线，间排距为1700 mm×1600 mm，每排2 根。工作面巷帮采用直径22 mm，长度2400 mm 的高强螺纹钢锚杆，间排距为800 mm×800 mm，每排4 根，垂直巷帮打设，预紧力矩不小于300 N.m，安装W 钢护板，采用菱形金属网护表。煤柱侧巷帮锚杆支护参数和护表支护同工作面侧巷帮，并采用锚索进行补强，锚索直径22 mm，长4600 mm，采用“2-1-2”形式布置，排距为1600 mm，每排2 根时，间距1400 mm，下部锚索距底板800 mm，每排1 根锚索时距底板1500 mm。

（2）煤柱下支护

上述分析可知，上部煤柱下方及进出煤柱10 m范围内均出现应力集中现象，需进行补强支护。在顶板两排锚索之间补打1 根锚索，位于巷道中部，形成“2-1-2”的锚索布置形式；同时在煤柱侧巷帮锚索按照“2-2”形式布置，每排2 根，间距1400 mm，排距1600 mm。

4.2 注浆加固

在窄煤柱沿空掘巷遇围岩破碎时，需对煤柱进行注浆加固，增加围岩强度，提高其承载能力。注浆钻孔采用“2-2”矩形布置，间距1500 mm，排距1600 mm，注浆钻孔位于煤柱巷帮两排锚索之间，以利于减小锚索钻孔漏浆，提高注浆效率。注浆采用水泥水玻璃进行，注浆压力不小于3 MPa。

4.3 效果

10402 工作面回风顺槽在掘进时，为保证巷道安全，巷道掘进过程迎头滞后10401 工作面350 m以上。巷道分区段采用不同的支护方案，并在部分构造破碎区及时进行注浆加固，实现了巷道掘进安全高效，围岩变形稳定可控。

5 结语

采用数值模拟方法，分析上部9 号煤层开采后下部10 号煤层应力分布情况，同时分析不同宽度窄煤柱应力分布和塑性区发育情况，确定了金达煤业窄煤柱沿空掘巷宽度为6.5 m。结合数值模拟分析结果，确定沿空掘巷在进出上部煤柱及前后10 m范围内需进行加强支护。现场观测表明，分区域采用不同支护方案可有效控制沿空巷道围岩稳定。