综放工作面小煤柱沿空掘巷支护技术应用分析

唐耀伟

（晋能控股煤业集团四台矿，山西 大同 037016）

1 工程概况

煤峪口矿目前主要开采3#煤层，煤层平均厚度为15 m。 8202 工作面采用综采放顶煤开采工艺，与其相邻的8203 工作面采空区之间留设38 m 的宽煤柱。8202 工作面的回采长度为1 500 m，预计一条煤柱约损失煤炭1.30 Mt；而且在回采时，受上覆采空区和宽煤柱的影响，回风巷会出现剧烈的矿压显现[1-3]，巷道受压变形后在回风巷和工作面交叉处仅留下一个窄口，严重影响综采工作面的通风安全。 为解决宽煤柱支护压力大、煤炭资源损失严重的现象，拟采用留小煤柱沿空掘巷技术来降低综采工作面宽煤柱的集中应力。

2 支护难点

合理的煤柱宽度是决定留设煤柱稳定性和沿空掘巷顺利完成的关键因素。 为确保巷道的应力在较低的范围内，考虑到煤柱围岩变形情况、煤柱宽度以及煤柱隔绝气体等要求，根据极限平衡理论[4-5]，煤柱最佳宽度为：

式中：x1为采空区影响下塑性区的宽度，m；x1为煤柱帮锚杆的有效长度，取2.0 m；为安全系数，取（0.15-0.35）（x1+x2）；为上个工作面回采巷道的高度，取4.4 m；A为侧压系数，取0.26；k为应力集中系数，取0.28；γ为上覆岩层容重，28 t/m3；H为巷道埋深，取223.61 m；φ为内摩擦角，取30°；C_C为顶板岩层岩体黏聚力，取3.32 MPa；C_0 为煤体黏聚力，取0.86 MPa；P_0 为上一工作面支架阻力，取0。

代入后得到x1=1.99，计算出小煤柱的最佳宽度B=4.59～5.39 m，因此小煤柱宽度取6 m。

采用留设6 m 小煤柱沿空掘巷支护，由于煤柱的尺寸小，巷道的应力环境复杂，在掘进过程中，经受多次动压，巷道底板出现底鼓，底鼓量达500 mm。 沿煤层底板掘进，巷道高度为4.5 m，局部地区的巷道高度可达5 m 以上，这样给两帮支护带来很大的困难，在开采压力作用下，巷道两帮出现严重变形，整体变形量较大。 煤层顶部煤体强度较低，岩层松软，容易破碎，稳定性较差。 另外，在经过高瓦斯含量区域时，巷道两帮的成型差，锚固力难以满足要求。

3 支护技术

8202 工作面存在宽度不一致的煤柱和采空区，选用ABAQUS 数值模拟软件对遗留煤柱的垂直应力进行模拟，根据煤柱的应力状态，可分为采空区影响段 （距工作面切眼100～300 m、560～630 m、700～780 m、790～860 m）、煤柱不影响段（距工作面切眼320～520 m、900 m 以上）和煤柱影响段（距工作面切眼300～320 m、520～560 m、630～700 m、780～790 m、860～900 m）。

根据高强度锚杆支护强度理论、 锚固平衡理论以及锚索悬吊补强理论[6-7]，根据锚杆、锚索联合支护原则，按照动态系统设计方法，结合巷道支护、现场监测数据以及巷道围岩力学特性确定锚杆、锚索的支护密度及长度，拟定设计如下支护方案：

3.1 采空区影响段

巷道顶板支护设计。 采用锚杆主支护与组合锚索辅助支护，具体方案为：每排布置6 根左旋无纵筋螺纹钢锚杆，锚杆的直径为22 mm，长度为2 500 mm，每根锚杆之间的间距为900 mm，排距为1 800 mm。两腮布置肩角锚索，排距为1 800 mm，采用直径为21.8 mm，长度为5 300 mm 的钢绞线，间距为900 mm，排距为2 700 mm。 在每两排锚杆之间交叉布置一排组合锚索，每排锚索采用6.3 m 和8.3 m 两种型号进行交替布置，由5 根锚索组成，间排距为2 400 mm×2 700 mm。在距工作面开切眼前50 m 和后20 m 的范围内，将组合锚索的排间距减小，间排距为1 800 mm×1 800 mm。

巷道两帮支护设计。 采煤帮采用锚杆主支护与组合锚索辅助支护，锚杆直径为22 mm，长度为3 000 mm，排距为900 mm，间距为900 mm。在距巷道顶板400 mm，与水平方向向上呈10°夹角处，打一根锚杆，与水平方向向下呈20°夹角处，打一根锚杆，中间两根锚杆替换成锚索，锚索直径为21.8 mm，长度为5 300 mm，排距为1 800 mm，与巷帮垂直。 在距巷道底部2 950 mm 处，布置一排直径为21.8 mm 的锚索，锚索长度为5 300 mm，间距为900 mm，搭配网格菱形金属网，规格为50 mm×50 mm。 煤柱帮采用锚杆主支护与组合锚索辅助支护，在距巷道顶板400 mm，与水平方向向上呈10°夹角处，打一根锚杆，距巷道底板700 mm 处，与水平方向向下呈20°夹角处，打一根锚杆，中间交替打两根直径为17.8 mm 的锚索，锚索长度为4 300 mm，排距为1 800 mm，与巷帮垂直，搭配网格菱形金属网，规格为50 mm×50 mm，如图1 所示。

图1 采空区影响段支护

3.2 煤柱影响段

巷道顶板支护设计。 两腮采用肩角锚索进行支护，锚索直径为21.8 mm，长度为6 500 mm[8]。

巷道两帮支护设计。 在采煤帮侧距巷道底部2 950 mm 处，布置一排直径为21.8 mm 的锚索，锚索长度为6 300 mm。 在煤柱帮距巷道顶板400 mm 处，布置一根直径为17.8 mm 的锚索，锚索长度为4 500 mm，在距巷道底板700 mm 处，布置一根直径为17.8 mm 的锚索，长度为4 500 mm。

除上述布置外，其余布置采用和采空区影响段同样支护方案。

4 矿压监测分析

4.1 支护体受力观测

为了检验巷道支护的安全可靠性，对锚杆锚索受力情况进行监测，根据现场情况布设矿压观测站3 个，分别设在8202 工作面沿空掘进330 m、600 m 和970 m 处。

1 号观测站的锚杆受力曲线如图2 所示。巷道顶板锚杆受力平均值为82.7 kN，巷道左帮锚杆受力平均值为110.1 kN，右帮锚杆受力平均值为148.7 kN，顶板的锚索最终受力值为227.8 kN。在巷道开挖的初期，煤柱帮锚杆受力比较大，顶板锚杆的受力相对较小，随着掘进长度的增加，两帮锚杆受力逐渐增大，顶板锚杆的受力增幅变小，巷帮稳定的周期较长[9-10]。

图2 1 号观测站锚杆受力曲线

2 号观测站的锚杆受力曲线如图3 所示。巷道两帮的锚杆受力明显大于巷道顶板的锚杆受力，巷道顶板锚杆受力平均值为69.6 kN，巷道左帮锚杆受力平均值为95 kN，右帮锚杆受力平均值为134.8 kN，顶板的锚索最终受力值为243.6 kN，锚杆的最终受力逐渐减小，且锚杆受力变化趋势与巷道的变形大体相同，巷道稳定的周期变短。

图3 2 号观测站锚杆受力曲线

3 号观测站的锚杆受力曲线如图4 所示。在巷道开挖初期，锚杆和锚索在短时间内达到稳定，变化过程比较短，巷道顶板锚杆受力平均值为61 kN，巷道左帮锚杆受力平均值为101 kN，右帮锚杆受力平均值为150 kN，顶板的锚索最终受力值为218 kN，右帮的锚索最终受力值为247 kN，沿空掘巷巷道的变形得到很好地控制。

图4 3 号观测站受力曲线

综合监测数据可以看出，随着掘进距离的增加，巷道变形量减小，稳定周期明显缩短，锚杆索受力减小，支护结构能较好地控制巷道的变形。

4.2 巷道围岩变形监测

在工作面回采期间监测巷道围岩变形量，监测曲线如图5 所示。 在距工作面45 m 时，巷道慢慢出现变形，在距工作面20 m 时，巷道变形加剧。回采期间，小煤柱受支承压力和三角块回转的影响，容易被压碎，出现轻微变形并逐渐向巷道内移动，沿空帮的围岩变形量为220 mm。整体来看，巷道两帮的移近量大于顶底板的移近量，但发生变形的时间几乎没有差异。

图5 巷道围岩变形量监测曲线

5 结论

1）煤峪口矿小煤柱沿空掘巷支护困难，主要原因为煤柱尺寸小、巷道应力复杂、围岩条件差、巷帮稳定性差；拟采用以锚杆锚索为主支护、组合锚索为辅助支护方案。

2）采用矿压实时监测表明，巷道两帮的围岩变形量大于巷道顶底板的变形量，离工作面越远巷道的稳定性越好；在沿空掘巷支护后，巷道围岩的变形效果得到改善，支护效果较好。