沿空巷道窄煤柱變形失穩機理與切頂護巷協同技術研究

李亞鋒，徐亞龍

（1.庫車縣榆樹嶺煤礦有限責任公司，新疆阿克蘇 843300；2.河南理工大學能源科學與工程學院，河南焦作 454000）

0 引言

在井工開采煤礦中，相鄰工作面間一般留設20 ～30 m 的區段煤柱，當工作面開采煤層較厚時，將造成煤炭資源的極大浪費[1-3]，為此，專家學者提出了窄煤柱護巷技術。近年來國內外學者對窄煤柱護巷理論和技術進行了廣泛研究[4-5]，侯朝炯等[6]通過提出綜放沿空掘巷圍巖大、小結構穩定性原理，認為基本頂弧三角形結構是影響沿空巷道穩定的主要因素；張東升等[7]建立了基本頂覆巖斷裂結構力學模型，分析了破斷形式對護巷煤柱穩定性影響，提出了沿空巷道護巷措施；張百勝等開展了小煤柱切頂卸壓護巷技術的研究，認為切頂卸壓可人為調整基本頂應力傳遞路徑，將壓力轉移至采空區，有利于沿空巷道的穩定。

榆樹嶺煤礦目前主采下5 煤層，煤層平均厚度9.11 m，為提高煤炭回收率，110503 膠帶順槽、110505 軌道順槽計劃采用窄煤柱雙巷掘進，為防止受110503 工作面采動影響，110505 軌道順槽窄煤柱幫出現嚴重的變形失穩現象，綜合采用理論分析、數值模擬、工業性試驗等方法，通過分析沿空巷道窄煤柱變形失穩機理，開發了沿空巷道窄煤柱切頂護巷技術，以實現榆樹嶺煤礦110505 軌道順槽的穩定控制。

1 概況

榆樹嶺煤礦110503、110505 工作面位于11 采區西翼，110503 工作面北部為110501 采空區，南部為110505 工作面，西部為采區下山，東部為礦區邊界。110503 工作面開采下5 煤層，煤層平均厚度9.11 m，平均傾角10°，呈黑色，柱狀，弱玻璃光澤，階梯狀，參差狀端口。煤層直接頂以粉砂巖為主，上部為炭質泥巖，呈灰黑色，平行層理，槽狀交錯層理發育，泥質、鈣質膠結，巖芯較破碎，厚度5.4 m?；卷敒榉凵皫r，呈灰黑色，平行層理，槽狀交錯層理發育，泥質膠結，巖芯較完整，厚度14.06 m。煤層直接底板為細砂巖，呈淺灰色，含長石、石英、巖屑，鈣質膠結，呈柱狀，厚度7.99 m，巖性如圖1 所示。根據礦井采掘接替情況，110503 膠帶順槽、110505 軌道順槽計劃采用窄煤柱雙巷掘進，工作面巖層柱狀圖如圖1所示，試驗巷道采掘工程如圖2 所示。

圖1 工作面巖層柱狀圖Fig.1 Rock strata histogram of working face

圖2 試驗巷道采掘工程平面圖Fig.2 Mining engineering plan of test roadway

2 沿空巷道窄煤柱變形失穩機理

2.1 沿空巷道窄煤柱數值計算分析

依據110503 和110505 工作面生產地質條件，建立110505 工作面軌道順槽數值分析模型，模型尺寸220 m（長） ×133.57 m（寬） ×80 m（高），如圖3 所示，研究110503 工作面回采期間采動應力分布及其對110505 軌道順槽圍巖穩定性的影響規律。模型四周及底部采用固定約束，即邊界水平位移為零，模型的上邊界根據巖層埋深，施加5 MPa 的鉛直應力模擬上覆載荷。

圖3 數值計算模型Fig.3 Numerical calculation model

數值模擬過程中，設計煤柱尺寸分別為3、4、6、10、14、18 m，圖4 為110503 工作面回采以后不同寬度護巷煤柱下的110505 軌道順槽圍巖應力分布云圖。

由圖4 可知，當110505 軌道順槽護巷煤柱為3、4、6 m 時，110503 工作面回采以后，煤柱側煤體內部峰值應力較低，分別為10.2、10.6、12.5 MPa，開采幫側煤體內部峰值應力較高，分別為30.2、31.0、33.8 MPa，當護巷煤柱尺寸分別增加至10 m 和14 m 時，煤柱側煤體內部峰值應力顯著增加，分別增加至22.7 MPa、27.8 MPa，而開采幫側煤體內部峰值應力出現降低，分別為29.5 MPa、21.5 MPa，當護巷煤柱尺寸繼續增加至18 m 時，煤柱側和開采幫側煤體內部峰值應力均出現降低，分別為26.2 MPa、16.2 MPa。

綜上表明，當煤柱尺寸較小時（3 ～6 m），煤柱內部大部分煤體近乎進入殘余破壞階段，采動應力大部分轉移至開采幫側煤體內部，而當護巷煤柱尺寸較大時（10 ～18 m），護巷煤柱表現出良好的承載性能，導致轉移至開采幫側煤壁內的采動應力有所減小，解釋了采用寬煤柱護巷時巷道變形主要發生在煤柱幫，而采用窄煤柱護巷時巷道變形主要發生在開采幫的現象。

2.2 窄煤柱變形失穩機理

基于數值模擬結果得知，當護巷煤柱較窄時，護巷煤柱將發生較大范圍的松動破壞，導致窄煤柱內部大部分煤體進入峰后變形甚至殘余變形階段，此時，窄煤柱承載能力較低，該類煤柱一般稱為屈服煤柱；當護巷煤柱尺寸增加后，煤柱承載能力逐漸加大，并隨煤柱尺寸進一步加大出現應力集中現象，該類煤柱稱為承壓煤柱。

110503 運輸順槽和110505 軌道順槽之間僅留設4 m 的煤柱，該尺寸煤柱屬于典型的屈服煤柱，護巷煤柱受采動影響將發生較大范圍的松動破壞，窄煤柱進入峰后變形甚至殘余變形階段，煤柱幫穩定控制難度較大，同時由于煤柱裂隙發育，松動破壞嚴重，易導通110503 采空區，出現采空區漏風問題，誘發采空區瓦斯涌出、遺煤自燃等伴生災害發生，嚴重影響110505 工作面的安全生產。

3 沿空巷道窄煤柱切頂護巷技術

基于沿空巷道窄煤柱變形失穩機理，確定在110505 軌道順槽采用切頂護巷協同技術，實現沿空巷道的穩定控制。采用二次支護方式，巷道掘進初期采用高強度錨網索支護技術，110503 工作面回采前采用切頂卸壓和錨注支護技術。

3.1 巷道掘進一次支護

110505 軌道順槽掘進初期采用高強度錨網索支護技術，具體支護參數如下。

（1） 頂板采用錨桿+錨索+鋼筋網支護。錨桿采用φ20 mm×2200 mm 的左旋無縱肋螺紋鋼式錨桿，間排距850 mm×800 mm，扭矩不低于150 N·m，每根錨桿配1 支規格MSCK2350 型樹脂錨固劑，配套規格150 mm×150 mm×8 mm 的鐵托盤；錨索采用φ17.8 mm×10300 mm 的預應力鋼絞線，間排距1500 mm×1600 mm，每排布置2根，配套規格300 mm×300 mm×20 mm 的鐵托盤，每根錨索配2 支MSCK2350 及2 支MSK2350 型樹脂錨固劑，預應力不低于30 MPa；鋼筋網規格1000 mm×2500 mm，采用φ6 mm 鋼筋焊接而成，網目規格100 mm×100 mm。

（2） 煤柱幫采用錨桿+菱形網支護。錨桿采用φ16 mm×1800 mm 的麻花式金屬錨桿，間排距750 mm×800 mm，扭矩不低于150 N·m，每根錨桿配1 支規格MSCK2350 型樹脂錨固劑，配套規格150 mm×150 mm×8 mm 的鐵托盤；菱形網規格為2000 mm×7000 mm，采用12 號鐵絲編織而成，網目規格50 mm×50 mm。

（3） 開采側幫采用錨桿+菱形網支護。錨桿采用規格φ16 mm×1800 mm 的玻璃鋼錨桿，間排距為1200 mm×800 mm，扭矩不低于40 N·m，每根錨桿配1 支規格MSCK2350 型樹脂錨固劑，配套塑料托盤；菱形網規格為2000 mm×7000 mm，采用12 號鐵絲編織而成，網目規格為50 mm×50 mm。

巷道掘進時期支護斷面如圖5 所示。

3.2 工作面回采前二次支護

110503 工作面回采前采用切頂卸壓+ 錨注支護，具體支護參數如下。

（1） 深孔預裂爆破切頂卸壓。

在110503 膠帶順槽內采用深孔爆破方式對其頂板進行預裂爆破切頂卸壓，爆破鉆孔沿110503膠帶順槽走向布置，爆破鉆孔直徑42 mm，深度16.0 m，間距0.5 m，距煤柱幫0.5 m，朝向采空區10°施工，爆破方式采用隔孔爆破方式，爆破鉆孔布置如圖6 所示。

圖6 工作面回采前二次支護Fig.6 Secondary support before mining in working face

（2） 頂板及煤柱幫錨注加強支護。

頂板用φ22 mm×7500 mm 注漿錨索，間排距2000 mm×2400 mm，窄煤柱幫用φ22 mm×5000 mm 雙向注漿對穿錨索，間排距1200 mm×2400 mm，三花布置，頂板注漿錨索配套2支規格Z2350 型樹脂錨固劑，頂板注漿錨索張拉預應力不低于200 kN，窄煤柱幫雙向注漿對穿錨索單側張拉預緊力不低于150 kN，每根錨索均配套300 mm×300 mm×14 mm 的碟形托盤，采用無機單液注漿加固材料，注漿壓力2.0～3.0 MPa，破碎區域不超過1.5 MPa，巷道錨注支護如圖6 所示。

4 巷道圍巖控制效果

將提出的沿空巷道窄煤柱切頂護巷技術應用到試驗巷道，并監測了受110503 工作面采動影響期間的110505 軌道順槽圍巖變形，變形曲線如圖7所示。由圖可知，110505 軌道順槽在超前110503工作面30 m 處出現變形，變形初期巷道變形主要發生在頂、底板巖層，滯后工作面0 ～90 m，受110503 工作面采動影響，110505 軌道順槽圍巖變形速度相對較快，尤其是頂板和開采幫圍巖變形速度明顯增加，滯后工作面90 m 范圍以外，隨著110503 采空區覆巖活動基本穩定，110505 軌道順槽受采動影響較輕，巷道圍巖結構穩定，此時110505 軌道順槽頂、底板位移量分別為57 mm、36 mm，煤柱幫和開采幫位移量分別為34 mm、47 mm，頂板變形量明顯大于底板，開采幫變形量略大于煤柱幫，110505 軌道順槽圍巖整體可控，表明沿空巷道窄煤柱切頂護巷技術實現了110505 軌道順槽的穩定控制。

圖7 巷道圍巖變形曲線Fig.7 Deformation curve of roadway surrounding rock

5 結論

（1） 研究表明煤柱尺寸較小時，煤柱內部大部分煤體近乎進入殘余破壞階段，采動應力大部分轉移至開采幫側煤體內部，而當護巷煤柱尺寸較大時，護巷煤柱表現出良好的承載性能，導致轉移至開采幫側煤壁內的采動應力有所減小。

（2） 110505 軌道順槽設計采用切頂護巷協同技術，巷道掘進初期采用高強度錨網索支護技術，鄰近工作面回采前采用切頂卸壓和錨注支護技術，現場應用后，試驗順槽圍巖整體可控，實現了110505 軌道順槽穩定控制。