窄煤柱沿空掘巷技术的试验与应用

翟旭宏

（阳煤集团和顺新大地煤业有限公司，山西 晋中 032700）

1 引言

根据采煤方法和开采地质条件不同，工作面区段煤柱留设宽度一般为20～30m。近年来，随着矿井资源的快速减少和煤炭市场经济价值的增加，有效地提高资源回收率，已成为降低生产成本、增加经济效益的关键所在。窄煤柱沿空掘巷技术近年来发展迅速，施工技术已经成熟，在我国的潞安、兖州等许多矿区得到成功应用，现已被集团公司列为建设现代化矿井的推广技术之一。阳煤集团公司牵头和中国矿业大学等科研院所合作，各矿抽调专业技术人员组成试验团队，首先在一矿十二采区81205工作面回风巷开展了窄煤柱沿空掘巷技术，取得了成功。

2 巷道地质概况

一矿十二采区81205工作面地面标高1050～1275m，工作面标高678.5～709.6m。本工作面井下位于北条带十二采区东部，本工作面西部为81204工作面（已采），南部为采区辅助准备巷，东部为81206工作面（未掘），北部为矿井田边界。本工作面为相邻采空区工作面。

工作面煤层赋存稳定，结构复杂，煤层总厚度最大7.50m，最小7.20m，平均厚度7.33m，煤层倾角最大14°，最小3°，平均6°。煤尘无爆炸危险性，具有自燃倾向性，煤层自燃性为（三级）不易自燃煤层。

工作面老顶为灰黑色石灰岩，厚度8.65m，夹两层黑色泥岩；直接顶为灰黑色泥岩，厚度1.30，致密，性脆；直接底为深灰色砂质泥岩，厚度5.04m；老底为浅灰色细粒砂岩，厚度1.96m，坚硬。

3 窄煤柱沿空掘巷分析及方案制定

窄煤柱是沿空掘巷围岩的一个重要组成部分，其稳定性直接影响巷道整体稳定性。根据矿压观测和开采分析，十二采区81205工作面地质情况简单，工作面煤质硬度较高，承压能力较强，地质条件适合窄煤柱沿空掘巷技术应用，同时根据沿空掘巷受力模型分析，上区段工作面回采，在采空区边缘形成侧向支撑压力，采空区边缘煤体形成破碎区和塑性区，承载能力降低，但由于沿空掘巷在基本顶弧形三角块结构的保护下，处于应力降低区，如图1所示，因此，巷道掘进对窄煤柱不会产生大的影响。但考虑到窄煤柱可能发生煤柱压裂，造成采空区有害气体渗漏和空气对流引发采空区着火，经过数值模拟分析，并结合工程实践经验，决定将工作面区段煤柱由原设计宽度20m合理缩窄至12m。

图1 81205工作面回风巷沿空掘巷受力模型

4 工作面巷道布置及支护设计

4.1 工作面巷道布置

工作面共布置四条巷道：进风巷、回风巷、低抽巷、走向高抽巷。工作面回风巷与相邻已采工作面进风巷间区段煤柱宽12m，如图2所示。

图2 81205工作面巷道布置图

4.2 巷道支护设计

支护理论上采用“三高一低”原则即高强度、高刚度、高可靠性与低支护密度原则。在保证支护系统可靠性的条件下，降低支护密度，减少单位面积上锚杆数量，提高掘进速度。回风巷沿煤层底板布置，巷道断面为矩形5×3m2，巷道支护采用锚网支护，见图3巷道支护布置图，顶支护方式采用“波纹钢带+锚索+金属网”联合支护，每排布置5根Ф21.6×7200mm锚索，锚索预紧力300kN；帮支护采用“锚索+金属网”联合支护，每排布置3根Ф17.8mm锚索，锚索预紧力230kN。

5 巷道矿压观测及应用分析

5.1 矿压观测

为了观测81205回风巷在掘进期间、掘后稳定期间的围岩活动规律，考察锚杆支护巷道围岩变形的控制效果，研究窄煤柱沿空掘巷的合理性，在巷道掘进过程中设置相应的测站，对围岩表面位移、围岩深部位移、顶板离层状况、锚杆、锚索载荷进行了观测，巷道掘进期间监测数据显示：

（1）随着巷道支护时间的加长煤体破坏范围及移动量都会明显增加，顶底板相对位移量达到70～200mm，两帮相对移近量达到了30～90mm，巷道移近量较小，且顶底板相对位移主要来自于底鼓。

（2）锚索载荷变化不大，锚索压力初始值在20MPa左右，最大值25MPa，压力随时间变化相对平稳，说明巷道压力不大，整体结构稳定，另一方面说明设计支护承载力极大提高，支护效果较好。

（3）顶板深部、浅部离层变化量很小，浅部离层量在1～3mm，深部离层量在2～4mm，锚固范围内总离层值为2～6mm，这说明锚索锚固在稳定的老顶石灰岩中，对顶板的控制起到了关键的作用，预应力锚索加固了顶板，有效地控制了锚固范围内煤岩的离层。

图3 巷道支护布置图

5.2 应用分析

通过现场施工和巷道矿压观察数据综合分析，在81205回风巷采用12m窄煤柱沿空掘巷技术掘进可以得出：

（1）巷道基本上避开了高应力区，掘进受矿山压力因素影响作用不大，煤体矿压裂隙较少；巷道掘进结束统计巷道破坏率不到5%，巷道表面收缩率最大9%，平均5.3%，基本符合设计要求。

（2）在巷道受邻近采空区影响，煤体整体性受到一定程度破坏，强度降低的情况下，采用“三高一低”支护方法来提高支护强度，有效地改善了围岩受力状态，提高了煤体的整体性和结构的稳定性。

（3）窄煤柱沿空掘巷技术改变了相邻采空侧巷道治理困难、无法有效支护的局面，解决了采空区侧巷道由于矿压显现明显而严重制约掘进施工安全和生产效率的问题。

（4）每年需回采4个工作面，采用窄煤柱沿空掘巷技术后每年可多回收煤炭资源40万t，按综合售价300元/吨计算，可增加经济效益1.2亿元。

6 结语

窄煤柱沿空掘巷技术的现场应用，不仅有效提高了矿井资源回收率，大大增加了矿井的经济效益，而且改善了相邻采空侧巷道的受力状况，解决了一矿相邻采空侧巷道治理困难、无法有效支护的难题，同时对下一步开展窄煤柱稳定性研究和推广应用具有重要的指导意义。