沿空掘瓦斯抽排巷合理煤柱留设尺寸研究与应用

韩鹏

（汾西矿业集团贺西煤矿 山西 柳林 033300）

0 引言

沿空掘巷技术已有较长时间的应用历史，相比留设较大的区段保护煤柱，沿空掘巷可以大幅度减小煤柱尺寸，减少资源损失，同时可以有效避开工作面侧向支承压力的集中载荷，有利于巷道围岩控制。沿空掘巷技术优势能否充分发挥，很大程度上取决于煤柱的尺寸是否合理，煤柱过大或过小都可能造成巷道围岩支护困难，甚至导致沿空掘巷失败。针对沿空掘巷煤柱尺寸的留设问题，煤矿科研人员与技术人员进行了大量研究及实践，例如有学者通过建立沿空掘巷的围岩结构模型，并进行力学分析计算，对工作面侧向支撑压力的升压区进行确定，从而将巷道布置在应力降低区，能够较合理的指导煤柱尺寸的设计；也有学者借助UDEC、FLAC 等数值模拟软件，建立多个巷道开挖数值模型，分析不同煤柱尺寸下巷道围岩的应力场及位移场区别，从而选择更合理的煤柱尺寸；也有学者在沿空掘巷后进行了持续全面的矿压观测，分析巷道围岩变形破坏特征，对巷道围岩支护方案进行优化，使支护方案更好的适应围岩条件[1-4]。以8304工作面沿空掘瓦斯抽排巷为工程背景，对其煤柱尺寸进行合理设计，并进行工程实践，为相似条件下巷道围岩控制提供借鉴。

1 研究背景

8304 工作面主采8#煤层，位于整体向斜构造的一翼，煤层结构较稳定，为常规的倾斜煤层，平均煤层倾角5°，煤层平均埋深135 m，煤层平均厚度12.66 m，共分4层进行回采。8304工作面可采走向长度1 200 m，倾向长度200 m，采用走向长壁后退式综合机械化采煤法，8304 工作面与邻近的8302 工作面之间设计留30 m区段煤柱。煤层顶底板（岩性见表1）均为较软弱的泥岩或砂质泥岩，对采掘工作围岩控制不利。

表1 煤层顶底板特征表

由于8304工作面绝对瓦斯涌出量达到65 m3/min，需要布置一条专用的瓦斯抽排巷，根据分层采掘的地质生产条件，该条瓦斯抽排巷只能布置在区段煤柱内，30 m的煤柱将被该条巷道分开成宽煤柱及窄煤柱或均分为两部分。如何更加合理的确定巷道在煤柱中的位置，即更合理的设计沿空掘巷窄煤柱的尺寸，使巷道能处于一个更加有利的应力环境，成为我们研究的工作重点。

2 沿空掘巷围岩应力环境分析

2.1 沿空掘巷应力环境概况

根据沿空掘巷的地质生产参数，绘制沿空掘巷的围岩结构模型，如图1 所示，瓦斯抽排巷的掘进，将整个区段煤柱分割为宽煤柱及窄煤柱两部分。若要确定掘巷的合理位置，需要对巷道围岩的应力环境进行分析。由于工作面区段煤柱承受一侧采空区侧向支承压力及另一侧工作面采掘工作的应力叠加，是较为突出的应力集中区，但由于煤层老顶的破断，破断后的岩块会在采空区及煤柱内形成两个突出的承载点，两个承载点之间将存在一个应力较低区域，如果在煤柱中再掘进一条巷道，势必会造成应力环境的变化，首先需要对煤柱的承压和破坏情况进行分析，设计使用打设钻孔并对钻屑量进行测试分析的研究方法。

图1 沿空掘巷围岩结构模型

2.2 煤柱内承压破坏情况实测研究

设计在8304 工作面回风顺槽内超前工作面约20 m～30 m 处打设1#钻孔，用来测试工作面超前区域的侧向支承压力情况；设计在8304下分层工作面的回风顺槽内打设2#及3#钻孔，钻孔间隔50 m，滞后8304 工作面100 m及150 m，测试采空区覆岩结构稳定后的侧向支承压力分布情况。钻孔规格为ϕ42 mm 孔径，15 m孔深，在打钻过程中，使用钻屑法进行钻屑量的统计测试，在钻孔完成后，使用内窥仪进行内部监测。

（1）钻屑法实测研究。钻屑法的工作原理是根据打钻不同深度时排出的钻屑量及其变化规律来判断煤柱内应力集中情况，一般情况下，支承压力越大，煤柱破碎程度越高，钻屑量越多[5]，统计所得三个钻孔的钻屑量对比分析情况如图2 所示。可以看出，1#钻孔的峰值点出现在距孔口5 m 处，2#、3#钻孔的走势基本一致，峰值点出现在距孔口8 m处，鉴于分层开采的多次应力扰动作用，区段煤柱边缘进一步压碎，压力峰值点将进一步向深部转移约2 m～3 m。孔口至峰值点之间则出现了一个应力降低区，2#、3#钻孔的应力降低区出现在距孔口5 m～7 m处。

图2 钻孔钻屑量对比分析图

（2）钻孔内窥法实测研究。钻孔内窥法的应用，能够直观的将煤岩体内部的破坏情况进行展现，对研究工作有很大促进作用。以2#钻孔为例，钻孔内窥结果显示，距孔口约3.5 m的范围内，即煤柱的边缘区域，煤体破碎程度较高，趋向于完全的破碎状态，丧失承载能力；距孔口5.2 m处，孔内煤体发生塑性破坏，距孔口5.7 m 处，煤体的完整性较好，孔壁较光滑，距孔口6.4 m 处，孔壁的破碎程度稍高，在距孔口7.7 m 以外，钻孔内壁的破碎度明显升高，进入压力承载区。

（3）根据钻屑法及内窥法实测研究结果，结合经典的采场覆岩运移规律及矿压理论，分析可得：当工作面回采过后，顶板在工作面走向及倾向方向上均会发生规律破断，走向破断会形成周期来压，倾向破断则会形成侧向支承压力，结合矿井地质生产条件、采掘经验及实测结果，认为倾向方向上，老顶的破断距离约为7 m，即老顶深入煤柱以内7 m 处发生破断，破断距以内为压力较低的内应力场，以外为压力较高的外应力场，将巷道布置在内应力场内，可以有效规避集中应力的载荷。因此，设计留设5 m 的窄煤柱进行瓦斯抽排巷的掘进，有利于巷道围岩的控制。

3 工业性试验及效果分析

根据设计方案，留设5 m 窄煤柱进行瓦斯抽排巷的掘进。瓦斯巷沿煤层顶板掘进，采用矩形断面，巷道规格为4 m×2.5 m。同时，根据矿井地质生产条件、采掘经验进行巷道支护方案的设计，设计采用锚网索联合支护方案，巷道支护设计参数表如表2所示，具体参数不再赘述。

表2 巷道支护设计参数表

按照所设计的支护方案对巷道实施支护后，着重加强了巷道表面位移观测及支护效果观测。在30 d的矿压观测周期内，巷道顶板下沉量累计达到155 mm，未观测到顶板明显离层及顶板漏冒、坠网现象；巷道两帮移近量累计达到133 mm，鼓帮现象得到较好控制，局部变形稍大，但整体处于稳定状态，金属网未出现破碎。在8304工作面回采过程中，当巷道进入工作面超前支承压力影响范围后，巷道围岩变形量再次出现一次迅速增长期，矿方及时在巷道中部补打一排单体液压支柱+Π型钢梁进行支护，保障了巷道正常使用及工作面安全回采。

4 结束语

沿空掘巷相比沿空留巷有其特殊之处，沿空留巷完全无煤柱，重点在于充填墙体的宽度设计及巷道支护方案的设计，而沿空掘巷的重点在于窄煤柱尺寸的设计，窄煤柱尺寸设计合理，就能有效躲避侧向支承压力的影响，达到事半功倍的效果。本文基于8304工作面沿空掘进专用瓦斯抽排巷的具体地质生产条件，在钻屑法及内窥法实测研究结果的基础上，设计留设5 m 窄煤柱进行沿空掘巷，配以合理的锚网索联合支护方案，成功进行了工业性试验及矿压观测，验证了窄煤柱留设宽度及支护方案的合理性，实现了预期的研究目的。