厚煤层窄煤柱沿空掘巷围岩稳定性控制技术研究

原长春

（晋能控股煤业集团成庄矿，山西 晋城 048021）

1 工程概况

成庄矿5315 工作面采用综采放顶煤开采，开采3 号煤层，平均厚6.2 m，倾角3°，埋深在360～448 m 之间。直接顶为泥岩，厚4.4 m；基本顶为砂质泥岩，厚83 m；直接底和基本底为泥岩，厚6 m。53151 巷为5315 工作面皮带顺槽，53151 巷沿3 号煤层顶板留窄煤柱沿空掘进，巷宽5.5 m，巷高3.5 m，长度1 986.04 m。5315 工作面回采范围内存在多个断层和陷落柱。

2 窄煤柱宽度分析·

窄煤柱沿空掘巷[1-3]是指在上个工作面采空区侧向应力降低区内，留设小煤柱沿空掘巷，利于巷道围岩稳定。根据以往3 号煤层综放工作面矿压观测结果，工作面侧向支承压力峰值距顺槽巷帮平均约15 m，考虑巷道掘进宽度，对3 m、5 m、7 m 和10 m 宽度煤柱稳定性进行数值模拟，分析不同宽度煤柱塑性区分布情况。模型结合现场实际情况，取工作面最大埋深，同样支护形式和应力环境，模拟结果如图1。

图1 不同宽度窄煤柱塑性区分布图

由图1 可以看出：（1）留设3 m 煤柱时，由于采动应力作用，煤柱完全处于塑性破坏状态，不利于巷道围岩稳定；（2）留设5 m 煤柱时，煤柱内部存在1.5 m 的弹性核，没有完全塑性破坏，能够承受较大的载荷；（3）留设7 m 煤柱时，煤柱内部弹性核增大到约4 m，煤柱承载能力进一步增强；（4）留10 m 煤柱时，煤柱内部弹性核增大到约7 m。

故此，护巷煤柱宽度不宜小于5 m。为保证沿空掘巷巷帮锚杆索的锚固可靠，窄煤柱内部弹性核不宜过小，故此决定窄煤柱留设宽度不小于6 m。

3 沿空巷道围岩协同控制技术

由于窄煤柱沿空掘巷受采动应力影响，围岩较为破碎，加之地质构造等影响，将锚杆支护、注浆加固及辅助支护有机结合，形成围岩协同控制技术[4-6]。

3.1 迎头预注浆

53151 巷掘进期间，如遇构造影响区、应力集中等围岩松软破碎时，需在掘进迎头预注浆，使迎头前方破碎煤岩体形成一个整体，以利于巷道掘进作业和顶板维护。注浆采用聚氨酯双组分化学浆液，体积比1:1 进行注浆。注浆孔分上、中、下三排布置，下部注浆孔距底板500 mm，中部注浆孔距底板1750 mm，上部钻孔距顶板500 mm。每排3个钻孔，钻孔呈扇形，钻孔水平施工，向煤柱侧偏6°～10°。钻孔直径42 mm，孔深10～12 m，掘进迎头每掘进6 m 打一排预注浆钻孔进行注浆。采用专用封孔器封孔，封孔深度4 m，封孔器外端采用注化学浆进行封孔，总封孔长度不小于4 m，孔口注浆压力2～4 MPa。

3.2 巷道锚杆支护

（1）顶板支护

巷道顶板采用短、长配合的全锚索支护。短锚索规格为SKP22-1/1720-4300，每排6 根，间排距均为1 m；长锚索规格为SKP22-1/1720-7300，每排3 根，排距2 m，间距1.5 m，两侧距两帮各1.25 m。长、短锚索均垂直顶板打设，采用树脂加长锚固，预紧力不小于320 kN，钢筋网和塑料网双层网护表。

（2）巷帮支护

巷帮采用锚杆索支护。锚杆为500 号钢材，直径22 mm，长2.4 m，每帮每排4 根，间距0.9 m，排距1 m，距顶底板均为0.4 m；顶角锚杆仰角不大于10°，其余均垂直巷帮打设；采用树脂加长锚固，预紧力矩不小于200 N·m；配套W 钢护板。巷帮锚索与顶板短锚索规格一致，每帮每排3 根，间距均为1.4 m，距顶板0.3 m，距底板0.4 m；煤柱侧排距1 m，煤体侧排距2 m；与顶板锚固方式一致，预紧力不小于150 kN，预紧力不足时，需进行注浆加固；采用双层金属网护帮。

3.3 辅助支护

对于巷帮煤体疏松破碎，锚杆锚固力不能达到设计的150 kN 要求时，需进行辅助支护。辅助支护采用喷浆封闭、滞后注浆及单体支柱或架棚的形式。喷浆封闭厚度50 mm，滞后距离不超过50 m。单体支柱和架棚支护形式如下：

（1）煤柱侧巷帮锚杆锚固力大于100 kN、小于150 kN 时，在煤柱侧巷帮打设一列单体支柱，单体柱距巷帮0.5 m，排距1000 mm，滞后掘进工作面5～7 m 打设，并采用长3 m 的12#工字钢梁支护顶板，底板采用塑料柱鞋，初撑力不小于140 kN，并采用联柱绳连锁，防倒到位。

（2）煤柱侧巷帮锚杆锚固力大于50 kN、小于100 kN 时，采用一梁三柱支护顶板，每排打设3 根单体支柱，排距1 m，滞后工作面3～5 m 打设，前50 m 为一梁二柱，之后补为一梁三柱，顶板采用长5.5 m 的12#工字钢梁支护顶板，底板采用塑料柱鞋，初撑力不小于140 kN，并采用联柱绳连锁，防倒到位。

（3）煤柱侧巷帮锚杆锚固力小于50 kN 时，对此区域前后5 m 范围进行架棚支护，按5000 mm×3500 mm 断面架设25U 型钢梯形棚。

3.4 滞后注浆加固

巷道掘进锚网喷支护完成后，滞后工作面100 m 对巷道帮部锚杆锚固力未达到150 kN 或锚索锚固力未达到100 kN 区段巷道帮部进行滞后注浆施工。

（1）注浆参数

在煤柱侧巷帮布置注浆加固钻孔，按排布置，呈五花型，排距为2000 mm，间距为1250 mm，钻孔布置如图2。钻孔直径45 mm，钻孔深度4 m，每排3 个钻孔时，上部注浆钻孔上仰15°，下部注浆钻孔下扎15°，中部钻孔垂直巷帮；每排2个钻孔时，上部注浆钻孔上仰10°，下部注浆钻孔下扎10°。孔口之间管路为长0.8 m 的DN20 钢管，孔内为直径20 mm、长3 m 的塑料管；封孔长度为0.8 m。注浆采用聚氨酯双组分化学浆，体积比为1:1，注浆压力为1～3 MPa。

图2 5310 高抽巷破碎巷帮联合支护平面示意图

图2 滞后注浆钻孔布置图

（2）效果检测

滞后注浆施工结束后，采用钻孔窥视仪对煤柱侧注浆区域进行窥视，对于注浆不密实的区域进行补打注浆钻孔二次补注，确保注浆加固效果。

4 效果分析

为考察留窄煤柱沿空掘巷围岩控制效果，对巷道掘进期间的巷道表面位移及支护体受力进行了现场观测。在巷道掘进期间巷道围岩初期变形较大，约15 d 后，巷道围岩变形逐渐减小。沿空掘巷巷道围岩变形速率经历由大到小的过程，至巷道围岩稳定时，正常区域巷道顶底板移近量为159 mm，两帮收缩量达到380 mm，两帮变形主要体现为煤柱侧巷帮明显收缩。除特殊区域巷道破碎、承载能力弱、围岩变形及锚杆索受力相对较大，其余巷道锚杆索受力均不大，能够有效加固围岩，实现共同承载，同时为迎接工作面回采动压作用保留了充分变形和受力的空间。

5 结论

（1）通过数值模拟分析，确定了成庄矿厚煤层沿空掘巷窄煤柱合理宽度为6 m，并设计了锚杆支护、注浆加固及辅助支护相结合的围岩协同控制技术。

（2）井下试验可知，留设6 m 窄煤柱沿空掘巷较为合理，沿空巷道处于应力降低区，巷道围岩变形及支护体整体受力较小，“锚注辅”协同支护能够有效控制沿空巷道围岩稳定。