深部沿空掘巷窄煤柱宽度留设及围岩控制技术研究_张建中.pdf

引言煤炭作为一种不可再生的资源，是人类消耗能源中的重要组成部分，因此通过合理开采提高煤炭的回采率，对我国煤炭资源稳定、长久的使用具有重要意义。工作面窄煤柱沿空掘巷因其具有煤炭资源回收率高的优点，在我国应用广泛，对于窄煤柱沿空掘巷，我国学者从煤柱留设宽度和围岩控制技术方面进行了大量的研究，取得了一系列的成果。在窄煤柱留设方面，柏建彪等1提出窄煤柱与顶板深部沿空掘巷窄煤柱宽度留设及围岩控制技术研究张建中（冀中能源股份有限公司 邢东矿，河北 邢台 054000）摘要：以邢东矿 11214 运输巷为背景，应用内外应力场及极限平衡理论、工程实践的方法，确定深部沿空掘巷窄煤柱合理宽度，并针对性地提出了“巷帮全螺纹锚杆支护+顶板螺纹钢超强锚杆支护+冷拔丝金属网配合菱形金属网双网护巷+钢绞线锚索补强支护”的围岩控制技术。理论计算显示窄煤柱合理宽度范围为 6.47 9.77 m，最终确定为 8 m。工程实践表明，8 m 宽度窄煤柱及围岩控制技术可有效控制沿空巷道围岩变形，巷道掘出 35 d 后巷道收敛变形趋于稳定，稳定时顶底板、煤柱帮以及实体煤帮最大变形量分别为 67、57、64、62 mm，变形处于合理范围内，巷道岩体的控制效果良好，能够达到安全生产的要求。关键词：深井；窄煤柱；沿空掘巷；围岩控制；煤柱尺寸中图分类号：TD822文献标识码：B文章编号：2095-5979（2023）05-0004-05Study on narrow coal pillar width setting andsurrounding rock control of gob-side roadwayexcavation in deep coal mineZhangJianzhong(Xingdong Mine,Jizhong Energy Group Co.,Ltd.,Xingtai 054000,China)Abstract：No.11214 transport roadway of Xingdong Mine was taken as the background,the internal and external stressfield theory,limit equilibrium zone theory,and engineering practice were applied to determined the reasonable width ofnarrow coal pillar in gob-side roadway excavation with great depth.The surrounding rock control technology of“fullthreaded bolt support of roadway sides+super strong bolt support for the roof+cold-drawn wire metal mesh withdiamond-shaped metal mesh double network protection+steel strand anchor cable reinforcement support”was putforward.Theoretical calculations showed that the reasonable width range of narrow coal pillars was 6.47 9.77 m,whichwas finally determined to be 8 m.Engineering practice showed that 8 m width narrow coal pillar and surrounding rockcontrol technology could effectively control the deformation of the gob-side entry driving,the roadway deformation tendedtostabilize after 35 d ofroadwayexcavation,the maximum deformation oftop and bottom slab,coal pillar wall and solid coalwall,at stabilization were 67 mm,57 mm,64 mm and 62 mm respectively,the deformation was within a reasonable range,the rock around the roadwaywas well controlled and met the requirements ofsafe production.Key words：deep mine;narrowcoal pillar;gob-side roadwayexcavation;surroundingrock control;coal pillar size责任编辑：任伟DOI：10.19286/ki.cci.2023.05.002作者简介：张建中（1973），男，河北高邑人，高级工程师。引用格式：张建中.深部沿空掘巷窄煤柱宽度留设及围岩控制技术研究J.煤炭与化工，2023，46（5）：4-8.采 矿 与 井 巷 工 程Coal and Chemical Industry煤 炭 与 化 工Coal and Chemical Industry第 46 卷 第 5 期2023 年 5 月Vol.46 No.5May 202342023 年第 5 期控制都非常重要，高强度锚杆支护的窄煤柱是沿空掘巷围岩的一个重要承载结构；李磊等2针对华晟荣煤矿 3104 工作面工况提出综放沿空掘巷围岩控制技术，并成功应用于工程实践；张科学等3得出大煤柱内沿空掘巷窄煤柱合理宽度的确定方法，并深度分析了本区段工作面回采对窄煤柱和宽煤柱围岩应力分布规律的影响。在围岩控制技术方面，柏建彪等5分析总结维护综放工作面沿空掘进巷道稳定的关键因素，并采用高强锚杆支护有效地保持综放沿空掘进巷道的稳定；康红普6指出基于煤岩体地质力学测试、以锚固与注浆为核心的支护加固技术，是有效、经济的深部巷道围岩控制技术；袁亮等7提出了深部围岩分级方法，并对不同分级的围岩采取相应的支护措施，实施分步联合支护的技术方案。综上所述，前人针对多种条件的沿空掘巷技术进行了大量研究，取得了丰厚的成果，但适用于邢东矿地质条件下的深部沿空掘巷窄煤柱宽度留设研究较少。因此，本文以邢东矿井 11214 工作面运输巷为工程背景，采用理论分析和现场监测相结合的方式，研究了深部沿空掘巷窄煤柱宽度留设，并提出相对应的围岩控制技术，为类似生产地质条件下的沿空掘巷提供了借鉴。1概况邢东煤矿 2 号煤层结构简单，赋存稳定，厚度变化较小，为全区稳定可采煤层。11214 工作面是-760 水平 1100 采区第 13 个工作面，平均煤厚 4.5m，工作面标高-720-970 m，工作面地面标高为+53.8+59.3 m，运输巷的埋深为 1 030 m，属于深部矿井。11214 工作面布置如图 1 所示，工作面运输巷顶底板岩层柱状图如图 2 所示。2窄煤柱宽度留设理论计算合理的煤柱宽度不仅要实现沿空巷道与邻近工作面采空区保持一定安全距离，并且还需要拥有一定强度来承担上覆岩层的载荷，因此深部沿空掘巷窄煤柱留设的最佳宽度应确保窄沿空巷道位于围岩应力降低区内，以及确保窄煤柱的自稳能力及完整性，减小巷道围岩变形。2.1基本顶破断线位置与煤柱宽度关系当上区段工作面回采导致上覆岩层基本顶发生破断后，端头区域形成关键三角板块结构，岩块A、B 之间及岩块 B、C 之间相互咬合形成稳定铰接，实体煤上方支承压力以关键块 B 的断裂位置为界，划分成 2 个应力区域，即低应力区域的“内应力场”，宽度为 S1，以及高应力区域的“外应力场”8-11，宽度为 S2，如图 3 所示。为确保窄煤柱的完整性以及承载能力，保证安图 1巷道布置Fig.1 Roadwaylayout图 2岩层柱状图Fig.2 Rock stratumhistogram图 3 基本顶断裂位置与内外应力场Fig.3 Basic rooffracture location and distributionofinternal and external stress field11214 运输巷11214 工作面11214 运料巷11216 运输巷11216 工作面11216 运料巷2227 工作面警戒线探水线2223 运输巷2223 采空区岩性名称层厚/m岩层柱状岩性描述1 号煤粉砂质泥岩细砂岩粉砂岩粉砂质泥岩2 号煤粉砂岩2下煤粉砂岩中砂岩粉砂岩细砂岩14.351.874.623.252.150.413.91.261.061.471.150.71.60.51.514.35.094.50.11.50.22.56.04.2521050.50.60.552.0复杂结构煤层，夹矸厚度0.4 m，为半光亮型煤，燃烧时冒黑烟深灰色，含有植物根部化石，块状构造，水平层理灰色，含泥质较多，具波状水平层理，层面含大量的植物化石碎屑黑灰色，含植物茎、枝、叶化石，局部具波状层理，裂隙发育黑色，块状构造，玻璃光泽，由亮煤暗煤组成，为半光亮型煤，燃烧冒黑烟灰白色，泥质胶结，含植物化石灰黑色，顶部含植物根化石；底部含植物叶化石。微显波状层理黑色，块状构造，玻璃光泽，由亮煤暗煤组成，为半光亮型煤深灰色，中厚层状，粉砂状结构，波状层理，含植物化碎片浅灰色，分选滚圆较好，主要成份为石英，次为长石及暗色矿物，具斜层理，可见泥质薄层顺层面分布灰色，致密均一，据水平层理，含细条带状的菱铁质结核及炭屑灰色薄层状，细粒砂状结构，发育平形层理，含白云母碎片，偶见裂隙S2S1L1L2岩块 A岩块 B岩块 C张建中：深部沿空掘巷窄煤柱宽度留设及围岩控制技术研究5煤炭与化工2023 年第 5 期第 46 卷全生产的前提下，“内应力场”宽度与窄煤柱、巷道宽度之间应满足式（1）。其中，内应力场范围关系式为12:式中：L1为掘巷宽度，5 m；L2为窄煤柱宽度，m；为岩层基本顶容重，2.4104N/m3；y 为煤体的压缩量，0.9 m；M 为基本顶厚度 5 m；a 为工作面走向长度，554 m；L 为初次来压步距，40 m；G为顶板破断线附近煤体刚度，1.2109Pa。经计算 S1=14.77 m，因为巷道宽度 L1=5 m，由式（1）计算留设煤柱L2的最大宽度为 9.77 m。2.2极限平衡区与煤柱宽度关系窄煤柱宽度不能过小，否则，在窄煤柱受采动影响时会破坏严重，不利于锚杆索的锚固支护。因此要保证沿空巷道的稳定性，留设煤柱的内部要有相对完整并且较为稳定的承载区域，使帮锚杆能锚固在相对稳定的岩层中。因此，由护巷煤柱极限平衡理论可知，煤柱宽度还应满足式（3）。式中：L2为窄煤柱宽度，m；x1为煤柱破坏范围，m；x2为煤柱中锚杆有效长度，2.3 m；x3为煤柱稳定系数，为 0.2（x1+x2），m。x1的表达式为13：式中：m 为煤层平均厚度，4.5 m；为侧压系数，=/(1-)；为泊松比，取 0.2；k 为应力集中系数，取 1.8；为岩层平均容重，取 0.024 MN/m3；H为巷道埋深，取 1 030 m；C为煤层界面的黏聚力，1.2 MPa；P为对煤帮的支护阻力，取 0.2 MPa；为煤层界面的内摩擦角，取 25。经计算 x1=3.09 m，代入式（3），则窄煤柱宽度L2最小值为 6.47 m。因此，由上文计算得所留设的窄煤柱合理宽度范围为 6.47 9.77 m。2.3窄煤柱合理宽度的确定综合应用内外应力场及极限平衡区理论，得出窄煤柱合理宽度为 6.47 9.77 m。考虑工程类比情况，同类型巷道所留设窄煤柱宽度为 8 m时，顶底板以及两帮的移近量较小，支护效果较好，确定深部沿空掘巷窄煤柱宽度留设的合理尺寸为 8 m。3深部沿空掘巷围岩破坏机理分析与控制3.1深部沿空巷道变形破坏机理分析随着开采深度的不断增加，地应力增大，煤岩所面临的应力条件更加复杂，极易导致巷道的较大破坏。留小煤柱沿空掘巷的方式使小煤柱不仅受原岩应力场影响，还受巷道掘进、上区段工作面回采以及该工作面回采影响，巷道承受三次采掘破坏。基本顶的断裂回转会对煤柱产生剧烈的影响，煤体破坏严重，裂隙急剧发育。此外，上区段 2223 工作面煤层厚度在 4.5 m 左右，采用一次采全高采煤方法，完全垮落法处理采空区，开采必定导致上区段覆岩剧烈运动，从而弱化煤体结构，导致煤柱节理裂隙进一步发育，在煤岩体中形成较大范围的破碎区，在此条件下掘进巷道，煤柱将遭受巨大变形压力，极易整体性向内挤出变形，甚至出现大面积垮塌，导致煤柱完全破碎失去已有承载能力，使得11214 工作面沿空巷道的稳定性降低。综上，掘进 11214 工作面运输巷（宽 5 m、高3.5 m）期间可能会出现巷道围岩应力急剧增加以及巷道围岩变形量急剧增大的现象，更易导致矿压显现。针对这种情况，要想保证巷道的安全可靠，就要针对其破坏机理采取支护措施以维护围岩的稳定性。3.2沿空巷道控制对策基于上述分析，针对深部沿空掘巷，提出“巷帮全螺纹锚杆支护+顶板螺纹钢超强锚杆支护+冷拔丝金属网配合菱形金属网的双网护巷+钢绞线锚索补强支护”的围岩综合化控制技术。首先对两帮和顶板围岩及时实施高强度主动支护，抑制巷道围岩早期变形，并且顶角及底角锚杆偏移 15以控制关键承载部位的剪切破坏。最后进行高强预应力锚索补强支护，使两帮和顶板深部岩层、中部岩层、浅部岩层都得到有效锚固。3.3围岩控制技术与参数顶板支护采用22 mm2 400 mm 螺纹钢超强锚杆，间排距 800 mm800 mm，配合穹形钢托盘、12 mm 钢筋梁及菱形金属网；顶板采用21.8 mm8 500 mm19 股钢绞线锚索加强支护，间排距 1 600 mm1 400 mm，配合 2 60014 槽钢、木垫板、钢托盘等，五花眼布置。两帮支护采用20 mm2 400 mm 全螺纹锚杆，间排距 800 mm800 mm，配合使用穹形钢托盘、12mm 钢筋梁及菱形金属网；两帮距顶板1.5 m 处打设锚索加强支护，间距 1 600 mm，锚索采用15.24 mm4 500 mm7 股钢绞线锚索，配合200 mm200 mm 钢托盘和12 mm 钢筋梁连锁。支护方案如图 4 所示。S1 L1+L2（1）S1=6aMLGy（2）L2 x1+x2+x3（3）x1=m2tan1nkH+C/tanCtan+P()（4）62023 年第 5 期3.4工程实践与支护效果监测为观测支护效果，在沿空巷道试验段中布置测点，主要对顶底板和两帮变形进行观察检测，使用十字法进行测量，在沿空掘巷煤柱、实体煤帮以及顶底板中分别固定一个锚杆钉，主要用来测量两帮和顶底板形变量，最后通过整体分析反映巷道周围岩体的变形情况，如图 5 所示。监测结果显示，在巷道掘出后，其周围岩体形变量不断加大，在 35 d 后趋于稳定。稳定时顶底板、煤柱帮及实体煤帮最大变形量分别为 67、57、64、62 mm，变形程度处于合理范围内，巷道周围岩体的控制效果良好，能够达到安全生产要求。4结论（1）由内外应力场及极限平衡区理论得到窄煤柱尺寸为 6.47 9.77 m。考虑工程类比情况，最图 4巷道支护图Fig.4 Roadwaysupport12 钢筋梁及菱形金属网顶锚索托盘：200200槽钢：2 60014 mm顶锚杆托盘：100100121 600800800800800800800800 8001 6001 4008008001 4001 1008008008008008008005 0003 32512 钢筋梁及菱形金属网帮锚杆托盘1359012帮锚杆托盘200200121 5001 600200 800 800800 600 125800800 8008008008001 6001 60012 钢筋梁及菱形金属网帮锚索托盘20020012帮锚杆托盘13590123 6751 5001 6001 6001 600400800800800800800800200 800800800 800顶锚杆222 400螺纹钢超强锚杆顶锚索21.88 500钢绞线锚索帮锚索15.244 500钢绞线锚索帮锚索202 400全螺纹锚杆巷道中心线5 00015151 8253 3252 1753 675275 800800 800800 2001 5003 500125 600800800800 2001515151515151 4001 400800800 8008008008001 500张建中：深部沿空掘巷窄煤柱宽度留设及围岩控制技术研究7煤炭与化工2023 年第 5 期第 46 卷（3）根据常用应力量级判断标准可得，该煤矿井下地应力整体上处于低、中地应力值区域，对巷道支护有利。参考文献：1 罗超文，李海波，刘亚群.深埋巷道地应力测量及围岩应力分布特征研究 J.岩石力学与工程学报，2010，29（7）：1 418-1 423.2 周宏伟，谢和平，左建平.深部高地应力下岩石力学行为研究进展J.力学进展，2005，35（1）：91-99.3 荣海，韩永亮，张宏伟，等.红庆梁煤矿地应力场特征及巷道稳定性分析 J.煤田地质与勘探，2020，48（5）：144-151.4 Chistiansson R.The latest development for in-situ rock stress me-asuring techniques C.Proceedings of the InternationalSymposiumon In-situ Rock Stress.Trondheim,Norway,2006:3-10.5 蔡美峰，乔兰，李华斌.地应力测量原理和技术 M.北京：科学出版社，1995.6 蔡美峰，乔兰，于波，等.金川二矿区深部地应力测量及其分布规律研究J.岩石力学与工程学报，1999，18（4）：414-418.7 高峰，刘桂玲.基于原岩应力测量的软岩巷道支护优化设 计 研 究 J.山 西 大 同 大 学 学 报（自 然 科 学 版），2011，27（2）：61-63.8 高会春，杨胜利，刘新杰，等.空心包体地应力测试方法与工程应用J.煤炭工程，2015，47（4）：83-85，89.9 李晓鹏.风氧化软岩巷道变形机理及其控制研究 D.太原：太原理工大学，2015.10 康红普，姜铁明，张晓，等.晋城矿区地应力场研究及应用J.岩石力学与工程学报，2009，28（1）：1-8.11 齐干，唐强达.夹河矿深部巷道围岩地质力学测试分析J.中国矿业，2011，20（2）：98-102.终确定深部沿空掘巷窄煤柱宽度留设的合理尺寸为8 m。（2）揭示沿空巷道变形破坏机理，确定了针对性的围岩控制对策，提出符合深部沿空掘巷围岩特征的“巷帮全螺纹锚杆支护+顶板螺纹钢超强锚杆支护+冷拔丝金属网配合菱形金属网双网护巷+钢绞线锚索补强支护”的联合支护技术。（3）采用 8 m 窄煤柱宽度及“巷帮全螺纹锚杆支护+顶板螺纹钢超强锚杆支护+冷拔丝金属网配合菱形金属网的双网护巷+钢绞线锚索补强支护”联合支护技术方案，在支护完成约 35 d 后，巷道围岩表面变形趋于稳定，顶板围岩表面变形量最大，约为 67 mm，实现了对深部沿空掘巷围岩的有效控制。参考文献：1 柏建彪，侯朝炯，黄汉富.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（20）：3 475-3479.2 李磊，柏建彪，王襄禹.综放沿空掘巷合理位置及控制技术J.煤炭学报，2012，37（9）：1 564-1 569.3 张科学，姜耀东，张正斌，等.大煤柱内沿空掘巷窄煤柱合理宽度的确定 J.采矿与安全工程学报，2014，31（2）：255-262，269.4 王猛，柏建彪，王襄禹，等.迎采动面沿空掘巷围岩变形规律及控制技术J.采矿与安全工程学报，2012，29（2）：197-202.5 柏建彪，王卫军，侯朝炯，等.综放沿空掘巷围岩控制机理及支护技术研究J.煤炭学报，2000（5）：478-481.6 康红普.深部煤矿应力分布特征及巷道围岩控制技术 J.煤炭科学技术，2013，41（9）：12-17.7 袁亮，薛俊华，刘泉声，等.煤矿深部岩巷围岩控制理论与支护技术J.煤炭学报，2011，36（4）：535-543.8 陈冬冬，何富连，谢生荣，等.弹性基础边界基本顶板结构周期破断与全区域反弹时空关系J.岩石力学与工程学报，2019，38（6）：1 172-1 187.9 陈冬冬，谢生荣，何富连，等.长边两侧采空（煤柱）弹性基础边界基本顶薄板初次破断 J.煤炭学报，2018，43（12）：3 273-3 285.10 谢生荣，陈冬冬，曾俊超，等.考虑两侧煤柱与弹性煤体基础的基本顶板初次破断特征J.煤炭学报，2019，44（1）：115-126.11 谢生荣，陈冬冬，曾俊超，等.基本顶板结构初次破断与全区域反弹时空关系J.煤炭学报，2019，44（9）：2 650-2 663.12 祁方坤，周跃进，曹正正，等.综放沿空掘巷护巷窄煤柱留设宽度优化设计研究 J.采矿与安全工程学报，2016，33（3）：475-480.13 侯朝炯，马念杰.煤层巷道两帮煤体应力和极限平衡区的探讨J.煤炭学报，1989（4）：21-29.14 祁方坤，周跃进，曹正正，等.综放沿空掘巷护巷窄煤柱留设宽度优化设计研究 J.采矿与安全工程学报，2016，33（4）：475-480，508.图 5巷道围岩变形量曲线Fig.5 Deformation curve ofroadwaysurroundingrock706050403020100顶板测点/mm010203040506070巷道掘出后观测天数/d顶板测点底板测点实体煤帮测点煤柱侧测点（上接第 3 页）8