大采高及断层影响区域沿空掘巷围岩控制技术

大采高及断层影响区域沿空掘巷围岩控制技术
作者：石淮新黄胜
来源：《中国科技博览》2014年第27期
[摘要]1022工作面风巷是袁店一井煤矿首次尝试采用沿空掘进的巷道，工作面采高达到4.0m以上，且地质构造复杂，断层发育。

针对袁店一井煤矿沿空掘巷矿压特征进行研究，根据沿空掘巷的技术特点，采用理论推导分析和数值模拟方法得出窄煤柱沿空掘巷合理煤柱宽度并优化了支护参数，解决了大采高及断层影响区域沿空掘巷围岩控制的难题。

[关键词]大采高；断层；沿空；窄煤柱；联合支护
中图分类号：U452.1+2 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2014）27-0379-02
[Abstract]The airway of 1022 working face is the first attempt to adopt the road driving along next goaf in Yuandian No.1 Mine. The mining height is above 4.0m. Its geological structure is Complex and the fault is developed. According to technical characteristics of road driving along next goaf， author studied the mine pressure characteristics of the road driving along next goaf of Yuandian No.1 Mine. By theoretical derivation and numerical simulation method， this paper obtained Reasonable width of coal pillar of narrow coal pillar in the way of road driving along next goaf and optimized the supporting parameters. The research solved large mining height and the surrounding rock control when driving along next goaf in areas influenced by fault.
[Key words]large mining height； fault； along next goaf； narrow coal pillar； joint supportc
1 工程概况
1022工作面东靠近-470m水平三条大巷，南靠近F25断层与1023工作面相邻，西靠近F4断层与106采区相邻，北为1021工作面。

走向长1077～1156m，平均1093m，倾向长170～190m，平均180m，采区面积219976m2。

煤层平均厚度4.4米，煤层倾角3～18°，平均8°，煤层结构较简单，煤层顶、底板以砂质泥岩为主。

根据相邻1021工作面掘进和回采情况分析，该面地质构造复杂，预计揭露8条落差2m以上的断层，构造附近煤层起伏较大，机巷靠近F25∠60-65°，H=5-45m断层，受其影响，该区域内次生断层发育，揭露时会出现破顶、底现象，对掘进施工影响较大。

1022工作面北面的1021工作面于2012年4月回采结束，目前正在回采1023工作面，1022工作面为1023工作面的接替面，工作面布置如图1-1所示。

2 沿空掘巷窄煤柱合理宽度确定
2.1 沿空窄煤柱巷道煤柱宽度留设的基本原则
根据沿空窄煤柱护巷机理，窄煤柱留设宽度必须满足以下几点要求。

1）有利于巷道采用锚杆支护，保证巷道围岩相对完整，松动范围较小，充分发挥锚杆的锚固作用和围岩自身承载的能力；
2）有利于提高采区回采率，尽可能地减少煤柱损失；
3）有利于隔离采空区，不向采空区漏风；
4）有利于巷道维护，使巷道布置在上区段采空区两侧煤体上方的支承压力降低区内，避免相邻采区回采后残余支承压力与超前支承压力的叠加作用。

2.2 理论计算法确定合理窄煤柱宽度
在考虑提高锚杆锚固力和支护作用的前提下，使煤柱尽可能小，综合影响巷道围岩稳定性的主要因素，确定合理煤柱宽度B的计算公式为
（式2-1）
式中X1为上区段工作面开采后在采空区侧煤体中产生的塑性区宽度；
X2—帮锚杆的有效长度，结合锚杆支护参数确定；
X3—考虑煤层厚度较大而增加的煤柱宽度富裕量，一般按（X2+X3）值的30～50%计算。

经过计算求得煤柱宽度B的理论值为4.485m，最小煤柱宽度取5m。

2.3 数值模拟法确定合理窄煤柱宽度
1）沿空巷道围岩稳定性分析
为研究沿空巷道掘进稳定后围岩稳定性，特取小煤柱宽度4m，分析巷道掘进稳定后围岩应力分布、塑性区分布及变形情况，巷道采用锚梁网支护。

图2-2、2-3可以看出，由于巷道开掘，巷道周围垂直应力发生明显变化，原因回采造成的垂直应力降低区、增高区和原岩应力区范围发生明显改变，垂直应力集中区向煤层深部转移。

图2-4为巷道掘进稳定后围岩位移场分布图。

可以看出：
①巷道顶底板移近以底臌为主，顶板煤体整体稳定性较好，下沉量约为180mm。

②巷道两帮移近量相差不大，约为150mm。

较为明显的是，在煤帮上部夹矸位置，虽然夹矸具有一定强度，但由于夹矸和煤体之间存在弱面，导致其在顶板压力下呈整体滑移鼓出，该处向巷内移近约200mm，该弱面的存在严重影响高帮和小煤柱的稳定性。

2）合理小煤柱宽度确定
如图2-5所示，煤柱宽度较小情况下（2.5m以下），煤柱呈完全破坏状态，无法施工锚杆等支护，小煤柱结构难以保持，不能满足巷道稳定要求。

煤柱宽度从3～5m范围变化区间内，煤柱仍呈整体塑性状态，剪滑失稳范围随煤柱宽度增加而增加，此时通过合理支护手段维护煤柱稳定，易获得良好支护效果。

煤柱宽度在5m以上时，剪滑区域仍贯穿煤柱整体，明显的是，煤柱宽度达8m时，受高支承压力影响，煤柱剪塑性区范围急剧增大。

通过以上分析，可将不同宽度取值小煤柱归纳为以下几类：①失稳，煤柱宽度过小，3m以下，自身不能形成稳定承载结构，加固难度大，不能满足隔离火区、防止漏风和隔绝采空区有害气体渗漏的要求；②较稳定，煤柱尺寸较小，3～5m，巷道开掘后易失稳，但通过有效支护手段，可确保其稳定，满足掘巷使用要求；③稳定性较好，5m以上，煤柱尺寸足够大，可有效承载顶板压力，但其破坏范围也随煤柱宽度增大而扩大，煤柱整体稳定性增强，但其变形量也随之增加，且较大煤柱也造成煤炭资源的损失。

综合以上对不同宽度煤柱条件下，巷道的围岩应力分布、两帮及顶底板变形的数值模拟情况，最终确定将窄煤柱宽度设计为5 m。

3 1022风巷巷道围岩控制技术
3.1 支护形式及支护参数
（1）支护断面：矩形断面，净宽×净高=4000×3200mm。

（2）支护形式：锚带网及锚索联合支护
（3）支护材料：
4 支护效果
针对性的窄煤柱合理尺寸的留设和顶板支护方案及参数，有效解决了大采高及断层影响区域沿空巷道支护及维护困难等技术难题，围岩变形量小，巷道稳定性高，安全程度得到明显提高。

同时，改善了掘进工作面的作业坏境，加快了掘进工作面推进速度，缩短了作业循环时间，为工作面尽快投产提供了重要基础。

5 结语
综合利用数值模拟计算手段，合理确定沿空掘巷窄煤柱宽度，合理进行巷道支护设计，采用高强度锚杆支护技术维护巷道，尤其加强窄煤柱支护，提高其承载能力，有效控制巷道变形，实现大采高沿空掘巷整体稳定，解决了大采高及断层区域沿空掘巷围岩稳定性问题，取得了良好的技术经济效益。

参考文献
[1] 侯朝炯团队著.巷道围岩控制[M].徐州：中国矿业大学出版社，2004
[2] 黄升宏. 复合顶板巷道支护[J].矿山压力与顶板管理，1996，1： 47-48柏建彪等.沿空掘巷窄煤柱稳定性数值模拟研究[J].岩石力学与工程学报2004，23（20）：3475-3479
[3] 李学华，张农，侯朝炯.综采放顶煤面沿空巷道合理位置确定[J].中国矿业大学学报，2000，29（2）：l86-189
作者简介
石淮新（1978—），男，2006年毕业于中国矿业大学采矿工程系，工程师，现从事掘进技术管理工作。

通信地址
安徽省，淮北市，淮北矿业股份有限公司，袁店一井煤矿，修护区。