特厚煤层综放工作面小煤柱沿空掘巷技术应用

李海龙

（晋能控股集团同发东周窑煤业有限公司，山西 大同 037200）

同发东周窑矿井位于山西省大同市左云县城东，设计规模为10.00 Mt/a。矿井服务年限为84 a，其中一水平服务年限为51.6 a，二水平服务年限为32.4 a，开拓方式为斜、立混合开拓，全井田按块段共划分了6个采区，8202工作面位于二采区。8203工作面地面位于南端午村西北，杨户岭村东南，盖山厚度约为500 m，井下位于西部三条大巷西北侧，南侧为8202工作面，上覆侏罗系煤系地层不存在采空区，工作面顶底板岩性特征如表1所示，工作面煤层总厚5.15～10.35 m，均厚6.75 m，8203工作面一进一回两巷布置，其中2203皮带巷、5203辅助运输巷沿5#煤层底板布置，邻近的8202工作面辅助运输巷与8201工作面间区段煤柱宽度为30 m，但是仍出现回采巷道片帮、底鼓严重等问题，巷道掘进效率低、返修成本大、浪费煤炭资源，为解决该类问题，以8203工作面为背景展开相关研究。

表1 工作面顶板特征

根据东周窑矿8203工作面地质条件及地应力测试相关资料表明，该工作面地质条件复杂主要表现为以下几个方面：①煤层结构复杂：煤厚为5.15～10.35 m，有3～10层0.20～1.71 m的夹矸，煤层厚度变化大，且夹矸赋存不稳定。②火成岩侵入严重：该工作面火成岩侵入严重，煤层赋存不稳定，煤层顶板岩性变化大，裂隙发育，煌斑岩强度较高，存在局部割煤、放顶煤困难、采空区顶板悬而不垮的风险。③断层：根据坑透资料显示，工作面存在17条断层，其中10条断层断距大于煤层厚度的二分之一，对回采有一定影响。④水文地质类型复杂：主要充水因素为顶板砂砾岩裂隙水与断层带富水，煤层老顶为砾岩含水层，回采范围内断层多，断层带富水。在断层破碎带存在顶板淋水问题。⑤水平地应力较大：工作面平均埋深为500 m，埋藏深度较大，巷道围岩最大主应力约为垂直应力的1.85～1.90倍，最大主应力方向接近水平，不利于围岩的稳定。

3.1 煤柱宽度理论分析

依据8203工作面现场实际情况，以弹性理论为基础，假设煤岩体为均质连续的弹塑性体，建立区段煤柱受力模型如图1（a）所示，推导出煤柱内煤体达到极限强度处距邻近采空区边缘垂直距离x1（应力降低区宽度）计算公式[1]：

式中：M为工作面采高；
β为测压系数，一般为0.9～1.5；
φ0为煤体内摩擦角，取28°；
C0为煤体内的黏聚力，取2 MPa；
Px为煤柱采空区一侧的支护阻力，根据现场实际情况取0；
取测压系数分别为0.9、1.5条件下，邻近工作面采高为4～8 m条件下，采空区边缘应力降低区的变化规律如图1（b）所示，测压系数为1.5时，应力降低区宽度随采高变化范围为5.35～10.70 m，测压系数为0.9时，应力降低区宽度为3.21～6.42 m。综上可得随着开采深度的增大和测压系数的增大，工作面侧向压力峰值向实体煤内部移动，8202工作面开采厚度为6.75 m，则采空区边缘应力降低区范围为5.62～8.91 m。将沿空巷道布置在应力降低区内，可使巷道围岩内应力集中程度较低，利于巷道整体稳定，考虑到东周窑矿属于高瓦斯矿井，区段煤柱需要起到隔绝上区段采空区的作用，煤柱宽度不宜过小，因此初步确定8202与8203工作面之间区段煤柱宽度设计为6～8 m最为合适。

图1 区段煤柱受力模型及应力降低区宽度变化规律

3.2 合理煤柱宽度模拟分析

区段煤柱宽度对于巷道围岩稳定性具有重要影响[2]，基于上文分析结果，8203工作面与8202工作面间区段煤柱宽度应在6～8 m。为进一步确定最佳护巷煤柱宽度，通过FLAC3D软件建立模拟模型，根据工作面范围内钻孔柱状图信息，模型共建立12层煤岩层，模型顶面埋深为360 m，模型范围为500 m×200 m（X×Z），共划分为63 200个网格单元，8202工作面开挖宽度为220 m，5203辅助运输巷布置在采空区边缘，沿煤层底板开挖，尺寸为宽×高=5.5 m×3.8 m，留设煤柱宽度分别为6 m、7 m、8 m，模型详细情况如图2所示。

图2 数值模拟模型

采用上述模型，通过模拟计算得到煤柱宽度分别为6 m、7 m、8 m条件下沿空巷道围岩变形量及垂直应力如表2所示，可以看出，煤柱宽度为6 m条件下，巷道围岩变形量微小，巷道围岩内垂直应力较小，此时巷道位于应力降低区内，有利于巷道围岩的整体稳定；
而煤柱宽度为7 m、8 m时，巷道围岩变形量显著增大，相对于煤柱宽度为6 m条件下提高了一个数量级，且围岩内的垂直应力明显增大。综合考量支护条件、煤柱应力环境、巷道围岩变形量等因素，确定区段煤柱宽度为6 m最为合理。

表2 数值模拟结果

4.1 掘巷支护

东周窑矿5203辅助运输巷具有埋深较大、断面大、水平应力大、采动剧烈等特征，参考国内类似地质条件下沿空巷道支护成功案例，设计掘巷阶段采用锚网索联合支护方式[3-4]，5203辅助运输巷矩形断面，巷道净宽5 500 mm，净高3 500 mm，巷道全长1 827 m，巷道顶板采用锚索＋锚杆+W钢带+6#钢筋网联合支护，巷道两帮采用锚杆+W钢带+6#钢筋网联合支护，具体支护参数和形式如图3所示。

图3 5203辅助运输巷支护断面

4.2 窄煤柱稳定性研究

东周窑矿8203工作面紧邻8202工作面采空区布置，结合前文研究成果设计5203辅助运输巷与采空区间煤柱宽度6 m进行掘巷，8203工作面巷道布置详情如图4（a）所示，为掌握小煤柱内裂隙的发育情况，在掘巷初期进入沿空段后，采用钻孔窥视仪对煤柱内裂隙发育情况进行探查，小煤柱内裂隙发育情况如图4（b）所示。

沿空巷道一侧煤柱表面深度1.5 m范围内，煤岩体受到掘进影响裂隙发育，煤岩体破碎较严重；
距沿空巷道表面深度1.5～2.5 m范围内，裂隙发育程度有所降低，但是同样存在较多的裂隙，煤体整体较完整；
距沿空巷道表面深度2.5～4.5 m范围内，裂隙发育程度进一步加剧；
而在距沿空巷道表面4.5～6.0 m范围内，为8202工作面采空区边缘浅部煤岩体，均松散破碎严重，完整性差。综上可知，煤柱内区域Ⅰ、Ⅳ基本丧失其自稳和承载能力，而核心的Ⅱ、Ⅲ区域裂隙同样发育，承载能力较差，且存在沿空巷道与采空区导通的风险，因此，设计对沿空段小煤柱进行浅孔+深孔注浆加固。浅孔注浆采用高水速凝材料，深孔注浆采用水泥浆液；
浅孔注浆压力0.5～1.5 MPa，深孔注浆压力1.5～2.5 MPa；
先低压后高压，注浆孔均沿水平方向垂直煤壁布置，孔径42 mm，注浆孔布置如图5所示。

图4 巷道布置平面图及煤柱内裂隙发育规律

图5 小煤柱帮注浆钻孔布置

东周窑矿5203辅助运输巷掘巷及工作面回采阶段，在掘进工作面后方和回采工作面前方布置测站[5]，密切关注巷道表面的位移情况。监测结果表明，5203掘巷阶段两帮及顶底板相对移近量均保持在50 mm以下，围岩稳定性良好。工作面回采阶段选取5203巷实体煤段、沿空段典型的巷道表面变形量变化曲线如图6所示。由图6可以看出巷道表面变形主要在距工作面小于70 m的采动影响阶段，直至工作面回采至测站附近，实体煤段两帮移近量最大值150 mm，顶板移近量最大值106 mm；
沿空段两帮移近量最大值217 mm，顶底板移近量最大值129 mm，均不影响巷道的正常使用功能；
5203辅助运输巷所设计的煤柱宽度及支护方案取得良好应用效果。

图6 5203巷表面移近量变化曲线

通过对东周窑矿8203工作面地质资料、开采技术条件分析，表明该工作面地质条件复杂，通过理论分析计算表面8202工作面采空区边缘应力降低区宽度为5.62～8.91 m，通过数值模拟研究确定最为合理的煤柱为6 m，通过工程类比设计具体的支护方案，钻孔窥视探明小煤柱内裂隙发育情况，设计通过注浆加固改善煤柱的整体性和稳定性，工程实践期间矿压监测结果表明，5203辅助运输巷掘巷阶段及工作面回采期间，巷道围岩稳定，表面变形量在合理可控范围内，取得较好的安全和经济效益。