迎采动沿空掘巷围岩控制技术方案研究

丁向勇，马振宇，王燕妮

(1.彬县煤炭有限责任公司蒋家河矿， 陕西 咸阳 713500； 2.彬县煤炭有限责任公司， 陕西 咸阳 713500)

1 引言

煤矿资源一直是各个国家的重要发展资源，其带来的资源收益也是各资源型国家收益的重要组成部分。但是我国国有的大型煤矿的出采率一直比发达国家低，煤炭的资源浪费也比较严重。因此，如何提高煤矿的出采率，减少煤矿资源的浪费是我们的重要研究对象(张杰，2021)。

我国在煤矿开采应用较多的技术是综放开采，此开采技术通常是用中厚层或厚层煤矿开采理论作为理论依据的，虽然此技术在我国有了较长时间的发展，并有着一定的应用成果，但其理论研究还很片面，因此在煤矿开采过程中会有一定程度的损失和不安全性，为了减少这些资源损失，提高采矿效率，我国许多的专家学者针对大量的实际数据对应用技术进行了分析研究，通过建立相关的力学模型，研究相关的理论原理，提出了相对应的沿空掘巷围岩控制技术(Chu，2018；袁振华，2020)。

本文以蒋家河煤矿ZF211工作面为工程背景，对迎采动沿空掘巷进行了理论分析和数值模拟分析，分析了迎采动影响下的煤柱宽度和沿空掘巷围岩控制技术的相关性，提出了更加科学的工作面支护技术，为煤矿的迎采动沿空掘巷提供了真实有效、可靠的数据信息和参考。

2 研究内容和方法

2.1 工程概况

蒋家河煤矿ZF211工作面应用的是综放开采的采煤技术，其工作面采的是4号煤层，煤层平均厚度4.0 m，煤层倾角是6.5°，且工作面所在的煤层煤尘有爆炸的危险性，也是可能发生自燃的煤层。经过实验室的鉴定结果和专家的审核，蒋家河4号煤层是具有弱冲击倾向性的弱冲击危险性工作面。其工作面的煤层顶底板情况如表1所示。

由于在蒋家河矿井开采4号煤层受到了沉积作用的影响，开采区域的含水层和其他层构成了复杂的地质结构，如何在开采区域留设合理的煤柱宽度，采用科学有效的支护方案，以此来保证留设煤柱的稳定性对沿空掘巷十分关键。

表1 ZF211工作面煤层情况

2.2 迎采动沿空掘巷

对煤矿的开采是一个破坏原有岩石平衡应力的过程，会使煤层的应力场发生改变。维护或减少巷道受到的影响，不仅需要考虑巷道自身的自然条件，还需要减弱采动的影响(靳华等，2021)。如图1所示，为巷道顶板结构的稳定期。

图1 巷道顶板稳定的四个时期

迎采动工作面沿空掘巷是在煤矿挖掘的中期掘进巷道的，并在其中占据了主要部分，对其各个时期的分析有助于对其稳定性的研究。本文对迎采动沿空掘巷进行了分析研究，其过程可以为其围岩控制的技术方案提供理论依据，从而帮助实验顺利进行。

2.3 煤柱宽度和围岩控制技术研究

为了能够较准确的计算出适合工作面开采工作的煤柱宽度，分别从内外应力场理论、传统应力极限平衡理论和A.H.Wilson煤柱宽度计算三个理论计算得到蒋家河ZF211工作面的煤柱宽度范围，并进行煤柱宽度的确定(李少华，2021)。然后再进行理论数据计算出的煤柱宽度的模拟实验，选取了理论计算出的煤柱宽度及另外两组方案进行数据对比，得出可靠实验数据结果。

内外应力场计算公式：

(1)

式(1)中：L是工作面的长度；Ni是基本顶的厚度；β是基本顶平均容重；Φt是基本顶抗拉强度；p是基本顶承受的载荷；G0是断裂处的煤体刚度；b0是煤壁的压缩量。

通过蒋家河煤矿ZF211工作面的参数测试结果，就可以用式(1)计算出应力场理论下的煤柱宽度。传统应力极限平衡理论计算公式：

(2)

式(2)中：D是煤体应力极限平衡区的宽度；H是工作面煤层厚度；μ是侧压系数；A0是滑移面内聚力；θ0是滑移面内摩擦的角度，一般是煤体强度的0.6倍，T0是侧向采动应力系数；p是上覆岩层压力；py是煤帮的支护阻力；ϑ是煤层倾角。

再结合煤体的垂直应力和剪应力，就可以用此理论计算出适合工作面的煤柱宽度。

A.H.Wilson煤柱宽度计算公式：

D=μHT

(3)

式(3)中：μ是经过试验得出的常量；H是工作面煤层厚度；T是开采的深度。

以上三式都可以得到一个工作面的煤柱宽度，将这些煤层厚度和开采的深度作为变量，对得到的煤柱宽度进行分析，得出最合理的工作面煤柱宽度(Fang et al.,2021；苏杰，2021)。

确定了煤柱宽度后，以工作面的支护方案为研究对象，合适的支护方案可以较好的控制住巷道变形的情况，因此支护锚杆的支护强度、锚固体的性能、合适的锚杆支护技术都将对巷道围岩稳定产生非常重要的影响。

3 迎采动沿空掘巷围岩控制技术方案的分析研究

3.1 迎采动沿空掘巷稳定性分析

对于煤矿开采时期的煤层建立岩层结构，对其进行理论分析发现，掘巷前的结构是比较稳定的。在迎采动时，因为工作面回采带来的应力影响，开采巷道的围岩应力在不断增加，而且巷道围岩的变形也随之逐渐增加，此时需要采取合适的支护方法以减小对上覆岩层结构的影响，使巷道围岩处于稳定状态。

沿空掘巷时期，随着开采工作的不断进行，巷道会逐渐与工作面水平相会。当巷道的一边出现窄煤柱，上覆岩层结构会发生较大的改变，工作面中的直接顶也会发生规则或不规则的下沉，最终会发生基本顶离层的现象。基本顶的岩层也会随之弯曲下沉直至断裂(Zhang et al.,2018；梁小军，2021)。

工作面在采动期间发生变形是不可避免的，巷道在适应变形的同时需要加强锚杆支护和其他措施，保证巷道的稳定，从而保证工作面正常的开采工作。并且在工作面发生变形的前后应该监测收集基本数据，为煤柱宽度的研究提供基础的数据信息(苟瑾，2018)。

3.2 煤柱宽度的分析讨论

煤柱宽度和工作面出采率的关系曲线如图2所示。

图2 煤柱宽度和工作面出采率的关系曲线

当工作面中留有的煤柱宽度越大时，此工作面的出采率越小，而煤柱宽度又与工作面的安全性、稳定性有关，因此，找到适合工作面的煤柱宽度将会更有助于煤体的开采。

工作面需要煤柱留设时，也就意味着工作面出现了塑性区和破碎区，而煤柱是为了稳定区域，让煤层开采得以顺利进行。由于煤柱没有应力集中区，因此煤柱的受力并不大，煤柱宽度需要适当的大些，但是为了避免煤柱宽度的增大让巷道变形增加得过于剧烈，煤柱宽度不能过大(刘玉平，2021；张兵强，2021)。综上所述，工作面的合理性煤柱宽度需要结合多方面的数据和影响因素。

从内外应力场理论、传统极限平衡理论和两区约束理论进行分析，研究上覆岩层压力等对塑性区宽度的影响，总结其规律分布，为煤柱宽度确定提供理论依据(Phuc et al.，2020；张树林，2021)。

根据三个理论的煤柱宽度计算公式，计算出合理的煤柱宽度应该小于7.5 m，综合考虑开采区积水、煤体强度等因素的影响，煤柱宽度的合理值应该在4 m以上。考虑到煤柱的位置应该避免高应力的影响，因此煤柱的位置应该有1.5 m左右的偏移，因此理论数据上煤柱的合理宽度应该是6 m。

3.3 围岩控制技术方案

巷道的支护方案需要选择正确的锚杆支护理论，各种支护理论如图3所示。

传统的锚杆支护理论分别有：组合梁理论、组合拱理论、悬吊理论、最大水平应力理论等，这些理论是以假说为基础，从不同的角度和不同的条件叙述锚杆支护的作用机理，不同的支护理论有着不同适用的工作面岩层情况。

结合理论分析蒋家河ZF211工作面的实际情况，需要新的支护理论。通过大量的理论研究和试验，针对此工作面的情况提出了锚杆支护围岩强度强化理论，该理论在应用了锚杆支护的基础上，扩大了锚杆支护的使用范围，为巷道围岩破碎的锚杆支护提供了依据(陈晓翔等，2020)。

在对高地应力强采影响下岩体发生变形和破坏的煤矿巷道进行围岩支护时，必须考虑到煤和岩体的破坏强度、变形特征以及锚杆对围岩强度和参与强度的作用，这样才能使得巷道锚杆支护围岩强度强化理论可以在实际中应用。在对围岩进行支护时，要将围岩和支护锚杆看成一体，锚杆可以增加围压，改善巷道围岩的应力情况，让有着脆延性转化性能、发生了变形破坏和强度变小特征的破裂围岩有所改善，从而控制巷道围岩的变形和破坏(顾国民，2022)。对需要支护的巷道的锚杆支护原则，如表2所示。

在锚杆支护设计过程中，锚杆支护参数理论的计算是其中的重点工作，其相互匹配的支护设计原则就是以锚杆参数作为核心，通过锚杆预紧力、锚杆支护参数和锚索支护参数等的计算，形成相应工作面最为合理的锚杆支护参数，进而完成合理的锚杆支护(申艳军等，2022；杨朋博等，2022)。

在煤体进行迎采动沿空掘巷开采时，其巷道的煤柱帮破坏已经较为严重了，在确定的煤柱上需要注浆加固，以此来提高煤柱帮的承载能力，避免其失去相应的作用。根据其注浆加固参数的理论进行计算，得到最适合煤柱帮的注浆量。除此之外，岩石强度和巷道围岩强度都会受到其含水量的影响，因此还需要考虑煤帮的含水量对巷道围岩稳定性的影响。

巷道围岩的含水情况可能会对煤柱侧采空区带来水害，在开采过程中需要实时监测井下水量的变化，严防水害事故的发生(张星江，2022)。

在煤矿巷道锚杆支护时，支护的形式和参数、支护的材料和构件、支护的施工及施工检测监测以及质量评定等都必须符合国家相应的标准化要求，使整个锚杆支护的过程也形成标准化。此外，巷道的注浆加固同样也要符合标准化，从而确定工作的有效性。对巷道进行标准化的锚杆支护后，也不能对巷道围岩的变形和破坏情况掉以轻心，需要利用技术手段监测支护体和围岩的各项数据变化情况，确保锚杆设计是合理可靠的，确定巷道围岩是稳定安全的(刘振华，2022)。

通过这些手段得到了相对煤体工作面巷道支护锚杆方案的参数，形成全方位的支护技术支持和数据理论支持，让迎采动沿空掘巷围岩得到最为有效、安全可靠的控制。

4 结论与展望

本文通过对蒋家河ZF211工作面不同的支撑应力和采动应力影响规律的分析研究，确定了ZF211工作面煤层迎采动的影响范围；通过对工作面不同煤柱宽度的应力演化规律的研究发现，当煤柱宽度为6 m时窄煤柱将处于相对安全的低应力状态，从而保证煤柱的稳定性。在对巷道进行监测后发现，巷道的稳定过程就是动态平衡的过程，在充分考虑了掘进成本、安全和材料等多种因素下，用数值模拟软件分析的支锚杆支护方案是科学和有效的。本文对蒋家河煤矿的迎采动沿空掘巷围岩控制技术的试验提供了新的巷道围岩的控制经验和理论，但是试验场所范围是有限的，要形成一整套的理论还需要研究人员进行大量的试验研究。此次试验研究也给今后的研究提供了数据和理论基础，具有一定的参考价值，随着关于迎采动沿空掘巷围岩控制技术研究的加强，会增加煤矿开采的效率，减少资源浪费，带来更好的社会效益。