隆博煤业2-508 回风巷窄煤柱沿空掘巷技术研究与试验

甄向宇

（霍州煤电宏大隆博煤业，山西 临汾 042101）

窄煤柱沿空掘巷是将下工作面回采巷道布置在临近上工作面采空区后形成的应力降低区，窄煤柱沿空掘巷不但可以改善巷道应力环境，有利于巷道维护，而且提高了煤炭资源回收率，因此，窄煤柱沿空掘巷成为工作面回采巷道常见的一种方式。大量研究表明，合理的煤柱宽度是保证沿空掘巷围岩稳定性的关键因素之一，目前，沿空掘巷煤柱宽度普遍在3～10 m 范围内[1-3]。本文以隆博煤业2-508回风巷为工程背景，采用数值模拟的方法，分析不同煤柱宽度下巷道围岩应力及顶板下沉规律，从而合理确定窄煤柱宽度。基于此，试验了窄煤柱沿空掘巷，为类似工作面回采巷道沿空掘巷提供借鉴。

1 工程背景

2-508 工作面位于830 m 水平五采区，开采2#下煤层，开采区域工作面标高656～786 m，地面标高1150～1326 m。本工作面北部为2-510 采空区，东部紧挨河吉高速公路实体煤区域，南部为设计2-506 工作面实体区域，西部为2#下三条开拓大巷（运输巷、轨道巷、回风巷），其上覆为2#上煤层部分不可采实体区域。采掘工程平面示意图如图1。本工作面煤层总体比较稳定，厚度在3.4～4.2 m之间，均厚为3.8 m，平均夹矸0.3 m，煤层倾角0°～12°，均厚为6°，煤层结构简单。工作面基本顶为细粒砂岩，厚度5.4 m，坚硬；直接顶为粉砂岩，厚度3.9 m，坚硬；伪顶为泥岩，厚度1.3 m，松软；直接底为泥岩，厚度1.4 m，松软。为改善巷道应力环境，增加煤炭资源的回收， 2-508 回风巷设计采用窄煤柱沿空掘巷技术。

图1 2-508 工作面采掘工程平面示意图

2 窄煤柱沿空掘巷煤柱宽度的确定

合理的煤柱宽度是保证沿空掘巷围岩稳定性的关键因素之一[4-5]。以2-508 回风巷生产地质条件为工程背景，采用数值模拟的方法，分析不同煤柱宽度（4 m、6 m、8 m、10 m）下巷道围岩应力及顶板变形规律，从而合理确定2-508 回风巷窄煤柱宽度。

图2 给出了不同煤柱宽度（4 m、6 m、8 m、10 m）下巷道帮部应力分布曲线图。由图可知，巷道实煤体帮和煤柱帮内应力均呈单峰分布。煤柱宽度为4 m 时，巷道实煤体帮应力峰值22.5 MPa，煤柱帮应力峰值5.5 MPa；煤柱宽度为6 m 时，巷道实煤体帮应力峰值22.0 MPa，煤柱帮应力峰值8.3 MPa；煤柱宽度为8 m 时，巷道实煤体帮应力峰值19.7 MPa，煤柱帮应力峰值11.0 MPa；煤柱宽度为10 m 时，巷道实煤体帮应力峰值17.2 MPa，煤柱帮应力峰值23.2 MPa。煤柱宽度为4 m、6 m 时，煤柱内应力峰值小于原岩应力，煤柱均处于破碎区，承载能力较弱；煤柱宽度为10 m 时，煤柱内应力集中系数2.5，煤柱内应力较高，易出现失稳现象；而当煤柱宽度为8 m 时，煤柱存在小范围的应力集中，其具备承载能力，通过一定的支护手段，可实现窄煤柱的稳定控制。

图2 不同煤柱宽度下巷道帮部应力分布曲线图

图3 给出了不同煤柱宽度（4 m、6 m、8 m、10 m）下巷道顶板变形曲线图。由图可知，巷道顶板变形均呈非对称性。煤柱宽度为4 m 时，巷道实煤体帮顶板下沉214 mm，煤柱帮应力顶板下沉512 mm；煤柱宽度为6 m 时，巷道实煤体帮顶板下沉220 mm，煤柱帮应力顶板下沉454 mm；煤柱宽度为8 m 时，巷道实煤体帮顶板下沉203 mm，煤柱帮应力顶板下沉389 mm；煤柱宽度为10 m 时，巷道实煤体帮顶板下沉148 mm，煤柱帮应力顶板下沉303 mm。随着煤柱宽度的增加，巷道顶板下沉量随之减小，其中窄煤柱帮顶板下沉较明显。虽然煤柱宽度为10 m 时，巷道顶板下沉量较小，但是其煤柱处于高应力环境下，在后期工作面回采过程中，煤柱的稳定性不易维护。因此，确定2-508 回风巷窄煤柱宽度为8 m。

图3 不同煤柱宽度下巷道顶板变形曲线图

3 窄煤柱沿空掘巷支护技术

基于上述分析研究，确定沿2-510 采空区边缘留设8.0 m 宽的煤柱进行掘进2-508 回风巷，确定沿空掘巷支护方案如图4，具体技术与参数如下：

图4 巷道支护断面图（mm）

（1）顶帮锚杆均采用长度2400 mm、直径22 mm 的左旋高强锚杆，每排均布置5 根，间排距分别为800 mm×800 mm、700 mm×800 mm，采用W 钢带成排连接。

（2）顶板采用锚索加强支护，顶板中部采用长度7200 mm、直径17.8 mm 的预应力锚索，每排布置2 根，间排距1600 mm×1600 mm，靠近窄煤柱帮300 m 处，采用锚梁加强支护，锚梁采用长度7200 mm、直径17.8 mm 的预应力锚索+16#槽钢，间距1600 mm。

（3）窄煤柱帮采用锚索补强+注浆强化，帮锚索采用长度6200 mm、直径17.8 mm 的预应力锚索，每排布置2 根，间排距1400 mm×1600 mm，同时采用水灰比0.8:1 的新型双液无机材料进行注浆强化。

4 巷道围岩控制效果

将提出窄煤柱沿空掘巷支护方案应用于2-508回风巷，监测2-508 回风巷围岩变形情况，如图5所示。由图可知，2-508 回风巷掘巷30 d 后围岩变形逐渐稳定，此时，顶底板相对变形137 mm，其中底板鼓起65 mm，两帮相对变形205 mm，其中实煤体帮变形74 mm。工作面回采期间，超前工作面0～60 m 范围内2-508 回风巷变形量较大，回采期间2-508 回风巷顶板最大下沉181 mm，底板最大鼓起125 mm，实煤体帮最大变形248 mm，窄煤柱帮最大变形331 mm。综上所述，在巷道掘进及工作面超前采动影响期间，2-508 回风巷变形均在允许范围内，证明了煤柱宽度留设及窄煤柱沿空掘巷支护技术的合理性。

图5 巷道变形曲线图

5 结论

合理的煤柱宽度是保证沿空掘巷围岩稳定性的关键因素之一，以隆博煤业2-508 回风巷生产地质条件为工程背景，分析了不同煤柱宽度下巷道围岩应力及顶板下沉规律，确定2-508 回风巷沿2-510采空区边缘留设8.0 m 宽的煤柱进行掘进，设计了沿空掘巷支护方案。现场应用后，在巷道掘进及工作面超前采动影响期间，巷道变形均在允许范围内，证明了煤柱宽度留设及窄煤柱沿空掘巷支护技术的合理性。