缓倾斜特厚煤层超长综放工作面小煤柱沿空巷道加固技术研究
何维胜
（神华宁夏煤业集团有限责任公司羊场湾煤矿，宁夏灵武751410）
摘要 小煤柱沿空掘巷是提高煤炭资源采出率，低应力巷道布置的有效手段。小煤柱受到回采巷道掘进及工作面采动影响，经历了“失稳—稳定—失稳”过程，保证回采期间回采巷道及小煤柱的稳定，是工作面高产高效生产的重要保证。本文以羊场湾煤矿130205工作面为研究背景，采用理论分析与数值模拟相结合的方法，揭示根据小煤柱沿空巷道的变形机理和破坏特征，基于超前支承压力分布曲线与塑性区分布，判别小煤柱是否为稳定状态，基于研究成果，结合工作面、顶底板条件，提出三种巷道加固方案，经现场实测，加固后的回采巷道可有效抑制围岩变形，满足正常回采需要。
关键词 沿空掘巷 小煤柱 低应力 巷道支护
1引言
近年来，随着煤矿综采设备机械化水平的不断提高及采煤技术的快速发展，我国矿井开采强度逐步加大，许多矿井浅部煤炭资源已开采完毕，陆续进入深部开采阶段。为提高煤炭资源的采出率，保证工作面正常接替，越来越多的矿井尝试应用沿空掘巷技术，即沿采空区边缘或留设小煤柱掘进回采巷道。留设小煤柱的目的是将巷道与采空区隔离，避免采空区的瓦斯、积水等进入回采空间，危及生产安全。小煤柱的留设宽度是沿空掘巷技术的核心要素，当煤柱留设宽度过小时，在侧向支承压力的影响下，煤柱易发生塑性变形从而导致失稳，无法发挥隔离采空区的作用；当煤柱留设宽度过大时，不仅降低资源采出率，而且回采巷道处于应力增高区内，巷道支护难度加大，且维护困难。
2工程概况
羊场湾煤矿位于灵武矿区中部，是神华宁煤集团主产矿井之一，矿井核定生产能力1200 Mt/a，属低瓦斯矿井。2#煤层为该矿主采煤层之一，煤层平均埋深650 m，平均厚度8.4 m，倾斜长度350 m，倾斜坡度15°~23°，采用综采放顶煤工艺，垮落法处理采空区。130205工作面布置平面图如图1所示，工作面南侧为下山保安煤柱，北侧为F201正断层，东侧为130203工作面采空区，西侧为未开采实体煤。
图2所示为煤系地层钻孔柱状图，130205工作面伪顶为平均厚度0.4 m的炭质泥岩，直接顶为平均厚度4.62 m的粉砂岩与3.23 m的细砂岩，基本顶为平均厚度12.7 m的中砂岩与4.96 m的细砂岩。
图1 130205工作面布置平面图
图2煤系地层钻孔柱状图
在布置130205工作面回风顺槽时，与上工作面运输顺槽间留设宽度为35 m的煤柱，实际应用结果表明，由于130205回风顺槽与侧向支承压力峰值区内，巷道围岩变形严重，维护困难，被迫放弃大煤柱掘进。通过相似工作面矿压实测、数值模拟、理论计算等手段，决定沿130203工作面采空区留设宽度为6 m小煤柱布置130205回风顺槽，保证回采巷道处于低应力区内，缓解了巷道掘进期间的围岩控制难题。考虑在130205工作面正常回采期间，在侧向支撑压力与采动应力的叠加影响下，小煤柱极易发生失稳变形，威胁作业安全。因此，如何在回采期间保证小煤柱沿空巷道的稳定性，已成为羊场湾煤矿现阶段面临的首要问题。
3小煤柱巷道变形机理及破坏特征
3.1小煤柱巷道围岩变形机理
沿空巷道是由煤层顶底板、实体煤、小煤柱共同组成的空间，任一边界的变形失稳都会对巷道的整体稳定性产生影响。根据砌体梁理论，沿空巷道的上覆顶板结构如图3所示。回采巷道开掘前，关键块体B处于稳定状态。巷道开掘后，煤体在侧向支承压力作用下发生一定程度的塑性破坏。工作面正常回采后，受超前支承压力的影响，该处区域的煤体将受到二次破坏，极易对上覆顶板内的砌体梁机构的稳定性产生影响，造成关键块体B的滑落失稳，从而严重威胁沿空巷道及小煤柱的围岩稳定性。因此沿空巷道围岩稳定性的关键就是保证顶板内大结构的平衡。
图3沿空巷道的上覆顶板结构图
3.2小煤柱巷道变形破坏特征
沿空巷道围岩变形破坏特征如下：
3.2.1变形量大
巷道掘进期间，沿空侧围岩变形量大于实体煤侧。巷道回采期间，实体煤侧变形量大于沿空侧。从围岩变形破坏形式来看，以挤出大变形为主。软岩巷道的收敛变形量可达90 cm以上，严重时可封堵整个巷道。工作面回采期间巷道围岩移近量是掘进影响期间的4～8倍，在两帮变形量大于顶底板移近量情况下，主要采用以支为辅，以护为主的支护方式。
3.2.2非对称破坏
沿空巷道围岩承受非对称载荷作用，因此形成非对称式变形和破坏。
3.2.3敏感性强
当巷道受邻近工作面采掘影响、爆破震动、水的侵蚀、支护失效时，会引起巷道围岩变形量的显著增高。
3.2.4破坏形式多样
巷道的主要破坏形式分为顶板诱导型破坏、小煤柱帮诱导型破坏、实体煤帮诱导型破坏、底板诱导型破坏四种形式。
4围岩控制效果的数值模拟
以羊场湾煤矿130205工作面的实际工程地质条件为研究基础，以覆岩运移及支承压力分布规律为主的研究对象，利用FLAC3D数值模拟软件建立三维数值模型如图4。
图4三维数值模型图
模型开挖后，根据布置煤层内的测点，可绘制出如图5所示的支承压力分布曲线。可看出距煤壁0～4 m为应力降低区；距煤壁4～10 m为塑性增高区；距煤壁10～14 m为应力峰值区；距煤壁14～50 m为应力缓降区。
图5支承压力分布曲线
煤柱内塑性区分布如图6所示：
（1）I区深度为0～2.0 m, II区深度0～1.5 m，为拉伸和剪切破坏区，表现为典型的鼓出形式破坏，在支承压力作用下，易发生片帮。
（2）Ⅲ区深度为0～2.5m，围岩易发生垮落。
（3）Ⅳ区为弹性核区，该区域不发生塑性破坏，表明在回采过程中，小煤柱可保持稳定状态。
图6煤柱内塑性区分布图
5巷道支护设计
针对巷道围岩变形特点，制订三种巷道支护设计方案。
5.1巷道支护设计方案1
对沿空巷道进行主、被动联合支护的形式，达到“主动预防，被动硬抗”的支护效果，支护范围为超前工作面100 m。
（1）巷帮煤柱补强加固支护，提高岩体力学性能，阻止巷帮煤柱塑性破坏发展。在煤柱侧巷道帮部补打两根Φ21.98 ×4300 mm钢绞线锚索，锚索间排距为800×1000 mm，与煤柱水平锚杆位置相互错开。锚索托板采用300 mm ×300 mm ×16 mm拱形托板，每根锚索充填4节Φ23×700 mm的树脂药卷（其中2节超快，2节快速）。
（2）单体液压支柱支护顶板，提高剧烈采动时的安全储备。选用DZ-42或DZ-45型悬浮支柱，配合4.8 mπ型钢梁做棚梁，一梁四柱，沿巷道宽度方向布置四排对顶板支护。沿巷道上、下帮在π型钢梁两端支设单体支柱套棚维护，棚距0.8 m，靠风巷上、下帮的支柱支设在距帮600 mm处。超前维护距离为100 m，超前支柱初撑力不低于90 kN（11.3 MPa）。支护效果图如图7所示。
图7巷道支护设计方案1
5.2巷道支护设计2
在原支护设计的基础上，采用主、被动联合支护，支护范围为超前工作面300 m。
（1）巷帮煤柱补强加固支护，提高岩体力学性能，阻止巷帮煤柱塑性破坏发展。在煤柱一侧，巷道帮部补打两根Φ21.98×4300 mm 钢绞线锚索，锚索间排距为800×1000 mm，与煤柱水平锚杆位置相互错开。锚索托板采用300 mm ×300 mm ×16 mm 拱形托板，每根锚索充填4节Φ23×700 mm 的树脂药卷。
（2）单体液压支柱和钢管混凝土墩柱支护顶板，提高剧烈采动时的安全储备。选用 DZ-42或DZ-45型悬浮支柱，配合4 mπ 型钢梁做棚梁，一梁三柱，沿巷道宽度方向布置三排对顶板支护。沿巷道上、下帮在π型钢梁两端支设单体支柱套棚维护，棚距0.8m，靠风巷上、下帮的支柱支设在距帮600 mm 处。超前维护距离为100 m，超前支柱初撑力不低于90 kN（11.3 MPa）。支护效果图如图8所示。
图8巷道支护设计方案2
5.3巷道支护设计3
与潜在危险区相比，在风巷其他区域内矿压较低，保持原有支护方案的基础上，对风巷采用补强加固方案2支护。可根据方案1支护效果逐渐减小支护强度。
在潜在危险区域，若巷道变形剧烈，保持原有支护方案的基础上，为了加强小煤柱侧的顶板支护效果，同时对小煤柱进行补强支护，可考虑在小煤柱侧补打一排钢管混凝土墩柱，作为辅助加强支护方案，如图9。该方案实施过程中，可把靠煤柱侧的一排单体液压支柱用钢管混凝土墩柱进行替换，以加强巷旁支护阻力，其他支护措施保持不变，如表1。
表1不同规格钢管混凝土支柱力学参数表
图9巷道支护设计方案3
5.4注浆加固煤柱侧松散煤体
根据围岩破坏变形机理，煤柱侧帮煤体松散，丧失自承能力，因此非常有必要对煤柱侧进行注浆加固。在煤柱侧布置两个注浆孔，采用插管注浆的方式。注浆孔沿巷帮成三花布置，邻近孔相互间距控制2m左右，注浆孔深度为3m，注浆压力1～2MPa。根据经验确定浆液扩散半径为1.5~2m。当锚网支护后，在巷帮表面喷射100 mm厚的混凝土浆封堵裂隙孔，再按设计参数对巷帮进行注浆加固。
注浆材料采用425#普通硅酸盐单液水泥浆和水玻璃按1:0.4配比，注入浆液时利用风动单液注浆泵，在钻孔内注浆时采用的注浆压力为1~2 MPa。
6结语
通过数值模拟及理论计算，针对小煤柱沿空巷道围岩易变形区域，基于围岩变形特点，分别制订不同的支护方案。截至目前，130205工作面已推进300 m，顶板平均下沉量200 mm，两帮移近量500 mm，均处于可控范围之内。实践表明，制订的三种巷道支护方案有效控制小煤柱沿空巷道的围岩变形，可满足安全开采的需要。
参考文献
［1］韩强，郑详举．锚注技术在巷道围岩加固中的应用［J］．煤炭科技，2011.
［2］樊克恭，翟德元．巷道围岩弱结构破坏失稳分析与非均称控制机理［M］．煤炭工业出版社，2004.
［3］韩立军．不稳定巷道中锚注联合支护［J］．矿山压力与顶板管理，1999.
［4］袁和生．煤矿巷道锚杆支护技术［M］．煤炭工业出版社，1997.
［5］钱鸣高，刘听成．矿山压力及其控制［M］．煤炭工业出版社，1984.
［6］何满潮，袁和生．中国煤矿锚杆支护理论与实践［M］．科学出版社，2004.
作者简介
何维胜，生于1983年，重庆市丰都县人，大学本科学历，采矿工程师，现任神华宁夏煤业集团有限责任公司羊场湾煤矿生产技术部副部长，从事井下采掘技术管理工作。