沿空巷道窄煤柱变形失稳机理与切顶护巷协同技术研究

2024-03-06李亚锋徐亚龙

煤炭与化工 2024年1期

李亚锋，徐亚龙

（1.库车县榆树岭煤矿有限责任公司，新疆阿克苏 843300；2.河南理工大学能源科学与工程学院，河南焦作 454000）

0 引言

在井工开采煤矿中，相邻工作面间一般留设20 ～30 m 的区段煤柱，当工作面开采煤层较厚时，将造成煤炭资源的极大浪费[1-3]，为此，专家学者提出了窄煤柱护巷技术。近年来国内外学者对窄煤柱护巷理论和技术进行了广泛研究[4-5]，侯朝炯等[6]通过提出综放沿空掘巷围岩大、小结构稳定性原理，认为基本顶弧三角形结构是影响沿空巷道稳定的主要因素；张东升等[7]建立了基本顶覆岩断裂结构力学模型，分析了破断形式对护巷煤柱稳定性影响，提出了沿空巷道护巷措施；张百胜等开展了小煤柱切顶卸压护巷技术的研究，认为切顶卸压可人为调整基本顶应力传递路径，将压力转移至采空区，有利于沿空巷道的稳定。

榆树岭煤矿目前主采下5 煤层，煤层平均厚度9.11 m，为提高煤炭回收率，110503 胶带顺槽、110505 轨道顺槽计划采用窄煤柱双巷掘进，为防止受110503 工作面采动影响，110505 轨道顺槽窄煤柱帮出现严重的变形失稳现象，综合采用理论分析、数值模拟、工业性试验等方法，通过分析沿空巷道窄煤柱变形失稳机理，开发了沿空巷道窄煤柱切顶护巷技术，以实现榆树岭煤矿110505 轨道顺槽的稳定控制。

1 概况

榆树岭煤矿110503、110505 工作面位于11 采区西翼，110503 工作面北部为110501 采空区，南部为110505 工作面，西部为采区下山，东部为矿区边界。110503 工作面开采下5 煤层，煤层平均厚度9.11 m，平均倾角10°，呈黑色，柱状，弱玻璃光泽，阶梯状，参差状端口。煤层直接顶以粉砂岩为主，上部为炭质泥岩，呈灰黑色，平行层理，槽状交错层理发育，泥质、钙质胶结，岩芯较破碎，厚度5.4 m。基本顶为粉砂岩，呈灰黑色，平行层理，槽状交错层理发育，泥质胶结，岩芯较完整，厚度14.06 m。煤层直接底板为细砂岩，呈浅灰色，含长石、石英、岩屑，钙质胶结，呈柱状，厚度7.99 m，岩性如图1 所示。根据矿井采掘接替情况，110503 胶带顺槽、110505 轨道顺槽计划采用窄煤柱双巷掘进，工作面岩层柱状图如图1所示，试验巷道采掘工程如图2 所示。

图1 工作面岩层柱状图Fig.1 Rock strata histogram of working face

图2 试验巷道采掘工程平面图Fig.2 Mining engineering plan of test roadway

2 沿空巷道窄煤柱变形失稳机理

2.1 沿空巷道窄煤柱数值计算分析

依据110503 和110505 工作面生产地质条件，建立110505 工作面轨道顺槽数值分析模型，模型尺寸220 m（长） ×133.57 m（宽） ×80 m（高），如图3 所示，研究110503 工作面回采期间采动应力分布及其对110505 轨道顺槽围岩稳定性的影响规律。模型四周及底部采用固定约束，即边界水平位移为零，模型的上边界根据岩层埋深，施加5 MPa 的铅直应力模拟上覆载荷。

图3 数值计算模型Fig.3 Numerical calculation model

数值模拟过程中，设计煤柱尺寸分别为3、4、6、10、14、18 m，图4 为110503 工作面回采以后不同宽度护巷煤柱下的110505 轨道顺槽围岩应力分布云图。

由图4 可知，当110505 轨道顺槽护巷煤柱为3、4、6 m 时，110503 工作面回采以后，煤柱侧煤体内部峰值应力较低，分别为10.2、10.6、12.5 MPa，开采帮侧煤体内部峰值应力较高，分别为30.2、31.0、33.8 MPa，当护巷煤柱尺寸分别增加至10 m 和14 m 时，煤柱侧煤体内部峰值应力显著增加，分别增加至22.7 MPa、27.8 MPa，而开采帮侧煤体内部峰值应力出现降低，分别为29.5 MPa、21.5 MPa，当护巷煤柱尺寸继续增加至18 m 时，煤柱侧和开采帮侧煤体内部峰值应力均出现降低，分别为26.2 MPa、16.2 MPa。

综上表明，当煤柱尺寸较小时（3 ～6 m），煤柱内部大部分煤体近乎进入残余破坏阶段，采动应力大部分转移至开采帮侧煤体内部，而当护巷煤柱尺寸较大时（10 ～18 m），护巷煤柱表现出良好的承载性能，导致转移至开采帮侧煤壁内的采动应力有所减小，解释了采用宽煤柱护巷时巷道变形主要发生在煤柱帮，而采用窄煤柱护巷时巷道变形主要发生在开采帮的现象。

2.2 窄煤柱变形失稳机理

基于数值模拟结果得知，当护巷煤柱较窄时，护巷煤柱将发生较大范围的松动破坏，导致窄煤柱内部大部分煤体进入峰后变形甚至残余变形阶段，此时，窄煤柱承载能力较低，该类煤柱一般称为屈服煤柱；当护巷煤柱尺寸增加后，煤柱承载能力逐渐加大，并随煤柱尺寸进一步加大出现应力集中现象，该类煤柱称为承压煤柱。

110503 运输顺槽和110505 轨道顺槽之间仅留设4 m 的煤柱，该尺寸煤柱属于典型的屈服煤柱，护巷煤柱受采动影响将发生较大范围的松动破坏，窄煤柱进入峰后变形甚至残余变形阶段，煤柱帮稳定控制难度较大，同时由于煤柱裂隙发育，松动破坏严重，易导通110503 采空区，出现采空区漏风问题，诱发采空区瓦斯涌出、遗煤自燃等伴生灾害发生，严重影响110505 工作面的安全生产。

3 沿空巷道窄煤柱切顶护巷技术

基于沿空巷道窄煤柱变形失稳机理，确定在110505 轨道顺槽采用切顶护巷协同技术，实现沿空巷道的稳定控制。采用二次支护方式，巷道掘进初期采用高强度锚网索支护技术，110503 工作面回采前采用切顶卸压和锚注支护技术。

3.1 巷道掘进一次支护

110505 轨道顺槽掘进初期采用高强度锚网索支护技术，具体支护参数如下。

（1）顶板采用锚杆+锚索+钢筋网支护。锚杆采用φ20 mm×2200 mm 的左旋无纵肋螺纹钢式锚杆，间排距850 mm×800 mm，扭矩不低于150 N·m，每根锚杆配1 支规格MSCK2350 型树脂锚固剂，配套规格150 mm×150 mm×8 mm 的铁托盘；锚索采用φ17.8 mm×10300 mm 的预应力钢绞线，间排距1500 mm×1600 mm，每排布置2根，配套规格300 mm×300 mm×20 mm 的铁托盘，每根锚索配2 支MSCK2350 及2 支MSK2350 型树脂锚固剂，预应力不低于30 MPa；钢筋网规格1000 mm×2500 mm，采用φ6 mm 钢筋焊接而成，网目规格100 mm×100 mm。

（2）煤柱帮采用锚杆+菱形网支护。锚杆采用φ16 mm×1800 mm 的麻花式金属锚杆，间排距750 mm×800 mm，扭矩不低于150 N·m，每根锚杆配1 支规格MSCK2350 型树脂锚固剂，配套规格150 mm×150 mm×8 mm 的铁托盘；菱形网规格为2000 mm×7000 mm，采用12 号铁丝编织而成，网目规格50 mm×50 mm。

（3）开采侧帮采用锚杆+菱形网支护。锚杆采用规格φ16 mm×1800 mm 的玻璃钢锚杆，间排距为1200 mm×800 mm，扭矩不低于40 N·m，每根锚杆配1 支规格MSCK2350 型树脂锚固剂，配套塑料托盘；菱形网规格为2000 mm×7000 mm，采用12 号铁丝编织而成，网目规格为50 mm×50 mm。

巷道掘进时期支护断面如图5 所示。

3.2 工作面回采前二次支护

110503 工作面回采前采用切顶卸压+ 锚注支护，具体支护参数如下。

（1）深孔预裂爆破切顶卸压。

在110503 胶带顺槽内采用深孔爆破方式对其顶板进行预裂爆破切顶卸压，爆破钻孔沿110503胶带顺槽走向布置，爆破钻孔直径42 mm，深度16.0 m，间距0.5 m，距煤柱帮0.5 m，朝向采空区10°施工，爆破方式采用隔孔爆破方式，爆破钻孔布置如图6 所示。

图6 工作面回采前二次支护Fig.6 Secondary support before mining in working face

（2）顶板及煤柱帮锚注加强支护。

顶板用φ22 mm×7500 mm 注浆锚索，间排距2000 mm×2400 mm，窄煤柱帮用φ22 mm×5000 mm 双向注浆对穿锚索，间排距1200 mm×2400 mm，三花布置，顶板注浆锚索配套2支规格Z2350 型树脂锚固剂，顶板注浆锚索张拉预应力不低于200 kN，窄煤柱帮双向注浆对穿锚索单侧张拉预紧力不低于150 kN，每根锚索均配套300 mm×300 mm×14 mm 的碟形托盘，采用无机单液注浆加固材料，注浆压力2.0～3.0 MPa，破碎区域不超过1.5 MPa，巷道锚注支护如图6 所示。

4 巷道围岩控制效果

将提出的沿空巷道窄煤柱切顶护巷技术应用到试验巷道，并监测了受110503 工作面采动影响期间的110505 轨道顺槽围岩变形，变形曲线如图7所示。由图可知，110505 轨道顺槽在超前110503工作面30 m 处出现变形，变形初期巷道变形主要发生在顶、底板岩层，滞后工作面0 ～90 m，受110503 工作面采动影响，110505 轨道顺槽围岩变形速度相对较快，尤其是顶板和开采帮围岩变形速度明显增加，滞后工作面90 m 范围以外，随着110503 采空区覆岩活动基本稳定，110505 轨道顺槽受采动影响较轻，巷道围岩结构稳定，此时110505 轨道顺槽顶、底板位移量分别为57 mm、36 mm，煤柱帮和开采帮位移量分别为34 mm、47 mm，顶板变形量明显大于底板，开采帮变形量略大于煤柱帮，110505 轨道顺槽围岩整体可控，表明沿空巷道窄煤柱切顶护巷技术实现了110505 轨道顺槽的稳定控制。