简述中厚煤层留窄煤柱沿空掘巷支护技术

＊范晋锋

（山西晋能控股煤业集团赵庄二号井 山西 046600）

1.煤矿的基本概况

以某煤矿为例，其工作面位于井田的东南方位，埋深约为90m。在工作面周围，西南侧和北侧均是采空区，东侧是工作面的开切眼，西南侧是井田的边界，走向长度约为1050m。该煤矿的开采作业，采用机械化设备和自动化技术，主采煤层的高度为2m。该工作面属于窄煤柱沿空掘巷工作面，顶板和底板的地质情况如下：（1）基本顶，是粉砂岩，厚度平均为8.0m；（2）直接顶，是细粒砂岩，厚度平均为1.2m；（3）直接底，是粉砂质泥岩，厚度平均为1.1m；（4）基本底，是粉砂岩，厚度平均为4.2m。

2.窄煤柱沿空掘巷的技术特点和宽度设置

(1)技术特点

第一，总体上来看，煤炭的采出率高，采空区通防管理简单；但巷道围岩的变形量大，对于巷道的支护和维护要求高。第二，巷道在侧向残余支承压力峰值的附近，掘巷会对支承压力的分布产生扰动，因此在开采掘进期间、掘后稳定期，围岩均会产生变形，相比于完全沿空掘巷的变形要大。第三，因煤柱宽度小，支承作用力弱，煤柱很容易发生破碎；而且巷道的跨度、悬顶距增大，提高了支护和维护工作的难度。第四，窄煤柱裂隙发育，容易出现漏风现象。第五，关于煤柱宽度和巷道围岩稳定性的关系，不同研究结论也不同，较小的数据例如1m～5m，较大的数据例如20m～30m。

(2)宽度设置

从目前已有的研究来看，可以得到以下几个结论：①上区段工作面开采作业后，基本顶的断裂线位置，会直接影响窄煤柱的稳定性，影响巷道的变形情况。②从围岩结构特征入手，围岩结构大小不同，对巷道变形量的影响也不同。要想确定窄煤柱的具体宽度，应该分两个步骤进行，介绍如下：

A.基本顶破断处进入煤壁的深度。回采工作面时，基本顶破裂部位，基本上和煤体弹性塑性的交界处吻合，会向着采空区旋转并下沉。此时，断裂部位进入煤壁的深度为X0，计算公式是：

式中，m代表工作面采高；A代表侧压系数；φ0代表煤体内摩擦角；C0代表煤体的黏聚力；K代表应力集中系数；γ代表上覆岩层的平均容重；H代表巷道埋深；Pz代表上区段工作面巷道煤帮的支护强度。

结合本工程，取值情况是：A=0.25，φ0=30°，C0=4MPa，K=1.5，γ=18MN/m3，H=100m，Pz=0.25MPa，将以上数据带入式（1），得到结果X0=2.53m。

B.窄煤柱的宽度。结合工程实践，窄煤柱的宽度大小，直接影响煤柱和围岩的稳定性，决定了沿空掘巷是否能顺利完成。采用极限平衡法，窄煤柱的宽度设置应满足：

式中，B代表窄煤柱的宽度；x1代表采空区影响的塑性区宽度；x2代表窄煤柱帮采用的锚杆有效长度；x3代表煤柱宽度富裕系数。见图1。

图1 窄煤柱的宽度设计

其中，考虑到该煤层是中厚煤层，为了保证煤柱的稳定性，要求x3=0.2(x1+x2)。当x1=x0，把式（1）带入式（2），就能得到：

式中，L'代表锚杆的有效长度，一般为1.3m～1.8m，将其代入式（3），计算可得B=4.83-5.55（m），初步取整数值为5m，即窄煤柱的宽度设置为5m。

3.窄煤柱沿空掘巷的支护技术方案

(1)支护方案

巷道断面设计为矩形，高度和宽度分别是2.4m、5.0m。考虑到周围的回采巷道，多是锚网索支护，不仅支护效果好，而且技术成熟，因此决定采用锚杆+锚索支护方案。工作面内的煤炭埋深较浅，回采巷道帮部不用支护，后经分析不对回采侧帮进行支护。

(2)技术参数

第一，锚杆支护。在工作面顶板处，采用φ20mm×2200mm的钢锚杆，间距为1000mm×900mm，每一排设置5根，配合使用树脂药卷。锚杆的托板使用Q235钢质托板，长度、宽度、厚度分别是100mm、100mm、8mm。锚杆的锚固力≥50kN，预紧力≥30kN。第二，锚索支护。在工作面顶板处，设置两排φ15.24mm×6000mm的锚索，排距为2m，配合使用树脂锚固剂。锚索的托盘使用Q235钢质托盘，长度、宽度、厚度分别是300mm、300mm、12mm，预紧力≥100kN，局部加强支护。另外，在巷道顶板铺设钢筋网，长度、宽度分别是4800mm、1100mm。

(3)稳定性分析

支护结构的稳定性，可以分为掘巷前、掘巷后、工作面采动三个阶段。在掘巷后，应力变化特征是：沿空掘巷时，巷道两侧围岩的应力分布有差异，垂直应力在巷道顶板的影响明显，峰值点变大；水平应力在两侧峰值前移，窄煤柱一侧的应力变小。综合起来，该支护方案的应用，可有效控制巷道围岩的稳定性。总结起来，掘进开采过程中，煤柱存在弹性稳定区，巷道围岩的应力叠加效应小、变形量小，采用非锚杆+锚索支护方案是可行的。在回采作业时，巷道超前的一定范围内，顶板和帮侧可能存在失稳情况，是否在安全允许值内，需要现场实际测量后进行判定。如果在安全允许值内，说明该支护方案可行；如果超出安全允许值，需要对该支护方案进行改进。

4.窄煤柱回采时巷道的变形量

(1)设置监测点

窄煤柱的宽度为5m，采用锚杆+锚索支护方案，为了探究对巷道围岩变形的控制情况，在掘进开采中设置监测点，现场测量围岩裂隙发育、表面位移、顶板变化，以及锚杆载荷变化。监测点的设置如下：在运输巷中，距离巷道口50m作为第一个监测点，其后每间隔100m设置一个监测点，本巷道内共设置4个监测点。

(2)围岩变形量

围岩变形量见下图2、图3，分析可知：①巷道顶板部位，在前28天的变形量大；而两帮部位，在前21天的变形量大。②开采28天后，巷道围岩的变形减小，整体比较平缓，最后达到平衡状态。③采用锚杆+锚索支护方案，巷道顶板的下沉量平均为45mm，而两帮的位移量平均为38mm，这两个数据均在允许范围内。④4个监测点，在同一时间的测量结果相近，数据的变异性、离散性比较小，说明数据的代表性强。

图2 巷道顶板的下沉量

图3 巷道两帮的位移量

(3)变形特点分析

该工作面在2020年6月开始回采，于12月结束。对回采期间的围岩变形进行分析：①在工作面超前0m处，巷道的变形量最大，两帮最大位移量为700m，顶底板最大位移量为73mm。②在工作面超前0～25m处，煤柱侧帮中下部位的每层和岩层交界处，鼓帮现象明显，最大位移量为330mm；巷道内的局部片帮，最大深度为400mm，主要集中在巷道的中下部位。综合分析结果，本次实测数据证实，锚杆+锚索支护方案，能满足工作面回采时的安全要求，因此支护方案可行。

5.结语

综上所述，中厚煤层在开采作业中，留窄煤柱沿空掘巷是一个比较常见的工艺，对巷道围岩进行科学合理支护，才能保证施工安全。本次研究得到的结论有：（1）应根据煤矿的地质条件，采空区的影响，以及巷道埋深等因素，采用极限平衡法计算窄煤柱的宽度。（2）本次工程中，采用锚杆+锚索联合支护方案，合理设置技术参数，能满足巷道掘进和工作面回采的安全要求，围岩变形和位移量均处于允许范围内。（3）随着窄煤柱宽度变小，原煤生产量增加，在满足安全生产的前提下，能提高煤矿的经济效益，可在类似矿区中推广应用。