燕子山矿5208巷小煤柱沿空掘巷围岩控制技术应用

程 帅

（晋能控股煤业集团燕子山矿，山西 大同 037037）

我国的能源结构特征呈现富煤贫油少气的局面。我国煤炭储量居世界前列，受资源赋存影响，一直以来我国将煤炭作为主要消费能源，且短期内煤炭的主体消费能源地位不会改变[1-2]。随着国民经济的快速发展，煤炭需求量不断增加，赋存条件较好的煤炭资源逐渐开采殆尽。在以往工作面开采时，相邻工作面之间一般留设20～30 m的煤柱，造成了极大煤炭资源的浪费，为此国内外专家学者提出了无煤柱开采技术，目前已经得到广泛应用的有沿空掘巷和沿空留巷技术。其中，沿空掘巷是在邻近上区段工作面采空区留设较窄的煤柱，新掘下区段工作面回采巷道，既可提高煤炭回收率，又将回采巷道布置在应力降低区域，可以改善巷道围岩维护环境[3-5]。

1 工程概况

燕子山矿5208巷服务于8208回采工作面，作为回采期间的回风和辅助运输。工作面位于4#层302盘区，西部为4#层可采边界线，南部为4#层8206设计工作面，东部为4#层盘区巷，北部为8210采空区，地面标高1 335.4～1 430.5 m，井下标高818～958 m。工作面开采山4#煤层，煤层结构复杂，煤层厚度为5.12～9.34 m，煤层大致走向东西，倾向北，倾角为2°。煤层基本顶为高岭岩、粗、细砂岩、砾岩，厚度5.80～30.72 m，平均厚度13.56 m；直接顶为中、细砂岩、高岭岩、砾岩，厚度6.26～10.65 m，平均厚度8.80 m；直接底为高岭岩，厚度3.93 m，灰色，胶结致密，性脆。为提高煤炭回收率，5208巷设计采用沿空掘巷技术。工作面北部为8210采空区，属于已采动采空区，为5208巷沿空掘巷提供了良好的掘巷时机。根据生产地质条件和采掘设备安全需求，5208巷掘进宽度5.0 m，掘进高度3.5 m。

2 小煤柱沿空掘巷围岩控制技术

小煤柱沿空掘巷是在邻近上区段工作面采空区留设较窄的煤柱新掘下区段工作面回采巷道，邻近上区段工作面推进后，直接顶岩层冒落，基本顶岩层破断，形成“O-X”结构。随着工作面推采，基本顶岩层周期性破断，形成周期性“O-X”结构，同时在顺槽后方形成弧形三角块，弧形三角块内侧可形成应力降低区。沿空掘巷将下区段工作面回采巷道布置在该区域，在提高煤炭回收率的同时，还可以改善巷道围岩维护环境。基本顶岩层“O-X”结构如图1[6]，沿空掘巷覆岩结构如图2。

图1 基本顶岩层“O-X”结构

图2 沿空掘巷覆岩结构

（1）沿空掘巷煤柱宽度的确定

沿空掘巷的关键参数之一是煤柱宽度。沿空巷道应布置在弧形三角块内侧形成的应力降低区，煤柱宽度X采用公式（1）计算[5]。

式中：x1为邻近上区段工作面开采使煤体产生的塑性区宽度，由公式（2）计算得到。公式（2）中，m、A分别表示采高、测压系数，φ0、C0分别表示煤体的内摩擦角和内聚力，K、H、γ、P分别表示应力集中系数、埋深、覆岩容重以及支护阻力，经计算x1=1.7 m。x2表示锚杆锚深，取2.0 m；x3表示安全储备宽度，取1.2 m。

综上所述，经计算煤柱宽度X=4.9 m，确定5208巷沿空掘巷留设5.0 m宽的煤柱。

（2）小煤柱沿空掘巷支护参数

5208巷支护形式为“锚杆+锚索+W钢带+JW钢带+金属网”联合支护，如图3。

① 顶板锚杆（索）布置方式：按1排锚杆、1排锚索交替布置。锚杆规格为Ф22 mm×2400 mm的左旋无纵筋螺纹锚杆，每排6根，间排距900 mm×1800 mm；锚索规格为Ф21.8 mm×6300 mm的预应力钢绞线，每排4根，间排距1000 mm×1800 mm。

② 两帮锚杆（索）布置方式：左右两帮支护布置4根锚杆或锚索，上3根锚杆、锚索按三花布置，即锚杆+锚索+锚杆与锚索+锚杆+锚索交替布置，下根全部为锚杆；护帮最上一根锚杆或锚索距顶板300 mm，下3根锚杆或锚索间距900 mm，最下一根锚杆距底板500 mm，排距全部为0.9 m。锚杆规格为Ф22 mm×2400 mm的左旋无纵筋螺纹锚杆，锚索规格为Ф21.8 mm×3200 mm的预应力钢绞线。

③ 角锚索布置方式：左右两帮与顶板夹角上仰70°位置按间距1.8 m各布置1根Ф21.8 mm×6300 mm锚索，并与顶锚索布置对应。

④顶板锚杆采用W钢带连接，规格4800 mm×280 mm×4 mm；顶板锚索采用JW钢带连接，规格3500 mm×330 mm×6 mm。

⑤ 锚杆采用蝶形、异形托盘，规格150 mm×150 mm×10 mm；锚索采用钢板托盘，规格250 mm×250 mm×16 mm。

⑥ 顶、帮均铺设8#铅丝编织的菱形金属网，顶板金属网规格5200 mm×1000 mm，帮部金属网规格3300 mm×1000 mm。

3 围岩控制效果

将设计的小煤柱沿空掘巷围岩控制技术应用于5208巷，采用十字测试法监测巷道围岩移近情况，图4给出了5208巷围岩表面移近曲线图。

图4 5208巷围岩表面移近曲线

①巷道围岩变形主要发生在巷道掘进0～56 d。该阶段顶板累计移近70 mm，移近速度1.25 mm/d；底板累计移近81 mm，移近速度1.44 mm/d；工作面侧累计移近54 mm，移近速度0.96 mm/d；煤柱侧累计移近59 mm，移近速度1.06 mm/d。

② 巷道掘出56～96 d之间围岩变形速度降低。该阶段顶板累计移近18 mm，移近速度0.44 mm/d；底板移近16 mm，移近速度0.40 mm/d；工作面侧累计变形11 mm，移近速度0.27 mm/d；煤柱侧累计变形12 mm，移近速度0.31 mm/d。

③ 巷道掘出96 d后围岩逐渐稳定，移近速度趋于0 mm/d。此时，顶板累计移近86 mm，底鼓累计移近99 mm，工作面侧累计移近66 mm，煤柱侧累计移近71 mm。

5208巷底板变形相对较大，煤柱侧变形略大于工作面侧。5208巷围岩变形均较小，证明了5208巷沿空掘巷围岩控制技术的合理性和优越性。

4 结论

小煤柱沿空掘巷提高煤炭回收率的同时，还可以改善巷道围岩维护环境，为此，依据燕子山矿5208巷生产地质条件，确定5208巷采用小煤柱沿空掘巷技术。巷道沿8210采空区留设5.0 m宽煤柱掘巷，采用“锚杆+锚索+W钢带+JW钢带+金属网”联合支护形式。技术应用后，巷道于掘进96 d后围岩逐渐稳定，巷道围岩变形均较小，证明了小煤柱沿空掘巷围岩控制技术的合理性和优越性。