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【摘 要】沿空掘巷是指完全沿采空区边缘或仅留很窄煤柱的一种巷道掘进方式，是煤矿生产中减少煤柱压煤的有效技术措施，在一些地质条件较简单的矿井应用较多。沿空掘巷有利于方便巷道维护和提高煤炭回收率，但使用中必须严格控制留设煤柱的宽度尺寸，这也是确保巷道安全稳定，减少支护压力的关键。
【关键词】沿空掘巷;加固技术;煤柱
引言
自进入二十一世纪以来，国家经济水平有了巨大的提升，能源经济在其中占有重要的地位，国家的快速发展对能源的需求也越来越大，尤其是对煤炭资源的需求。随着前部煤炭资源的逐渐减少，矿井开采逐步向深部转移，煤层埋深的增大伴随着矿井开采难度逐渐增大。近十几年为提高煤炭资源采出率、减少煤炭资源的损失情况，许多矿井开始采用沿空掘巷留设小煤柱方法。许多研究人员对沿空掘巷开采方法进行了大量的研究，在煤柱应力分布、矿压显现规律等方面获得了许多优秀成果。但一些矿井再采用沿空掘巷留小煤柱方法时，由于煤柱承受载荷较大，工作面回采过程中造成煤柱帮变形大，稳定性差等问题，严重影响工作面的正常回采。
1工程背景
山西某矿2106工作面主采煤层为3#煤，煤层厚度平均为5.78m，倾角为3～8°，平均为5°，属于近水平煤层，工作面煤层埋深平均为500m，煤层结构较为简单，无断层、陷落柱等大构造，属于全区稳定可采的煤层。2106工作面的东部为已经结束回采的2105工作面采空区，西部为2107工作面，工作面巷道尚未开始掘进，目前2106工作面回风巷已经掘进完毕，工作面即将进行回采，工作面布置图如图1所示。工作面之间留设煤柱宽度为10m，2106工作面采用矩形断面，巷道宽度为5.2m，高度为4m，巷道沿煤层顶板掘进，支护方式为锚杆+锚索+金属网联合支护。工作面直接顶为泥岩，厚度约为8m，岩层强度较低，基本顶岩性包括细砂岩和石灰岩，厚度分别为3.5m和5m，岩层坚硬致密，强度较大。工作面采用综合机械化放顶煤技术开采，采用全部垮落法处理顶板。根据对巷道掘进过程中煤柱帮变形的监测发现，围岩变形量较大，煤柱稳定性差，因此提出采用注浆加固方法对煤柱强度进行提升。
2沿空掘巷围岩变形及受力情况分析
2.1沿空掘巷围岩受力和变形分析
沿空掘巷是将巷道布置在位于靠煤柱一侧的低应力场，以便于巷道维护，减少变形量，留设的煤柱可将巷道与采空区隔离，防止采空区的有害气体和水等串入巷道，是目前综放工作面广泛应用的巷道掘进方式。上区段开采完成后，采用直接冒落法使顶部矸石冒落回填至回采巷道，随后在下区段采用沿空掘巷的方式进行回采作业。此过程中，回采区域围岩的受力状态会发生比较大的变化，并产生一定程度的位移，回采巷道顶部岩块会随矸石冒落而发生沉降变形，但由于矸石回填高度有限，内部空间松散，回填区域内支撑力不足，容易导致顶部岩体发生断裂和下沉。在此影响下，相邻下区段回采巷道支护窄煤柱承受的压力也会增大，继而对沿空掘巷围岩的稳定性造成影响。
2.2沿空掘巷窄煤柱的受力分析
位于回填区和窄煤柱上部的岩块发生沉降和受力改变后，会对窄煤柱及附近围岩产生较大的竖向和侧向的压应力，且应力会随着岩层的不断弯曲下沉而向下区段内部转移。生产实践和理论研究显示，沿空掘巷所承受的应力变化是呈特定规律分布的，与采空区越接近，则窄煤柱边缘区域承受压力越大，并在接近采空区处出现应力峰值，以后则会不断降低，在窄煤柱处回落至较低数值。根据受力和变形情况的不同，由综放工作面向矸石冒落区依次可分为原岩应力区、弹性变形区、塑性变形区、松散免压区4个区域。原岩应力区与矸石冒落区较远，基本不受应力变化的影响，该区域受力主要以原岩应力为主;弹性变形区位于原岩应力区与应力峰值之间，距冒落区较远，受影响较小，岩体连续性未遭到破坏，可承受较高的应力;塑性变形区位于应力峰值与松散免压区之间，该区域岩体连续性已遭到破坏，发生塑性变形，但尚有一定的承载能力;松散免压区位于下区段煤岩体边缘，该区域煤岩体连续性在开采扰动下受到比较大的破坏，变形较大，结构较为松散，因而承载力较差，所受压力较小。由上述分析可知，沿空掘巷适合布置在松散免压区，该区围岩松散破碎但应力小，可减轻巷道围岩所承受的煤体变形压力和侧向支撑压力。
3注浆加固方案设计
3.1试验地点
本次对煤柱进行加固的地点为2106工作面回风巷，因生产原因，煤壁注浆加固从巷道220m位置开始，注浆位置如图2所示。
3.2注浆加固方案研究
3.2.1注浆材料选择
根据2106工作面现场煤体及围岩的物理力学性质，3#煤层的抗压强度约为6MPa，顶板细砂岩岩层抗压强度约为51MPa，石灰岩岩层抗压强度约为102MPa，煤层强度较小，顶板岩层强度较大，因此注浆材料主要为硅酸盐水泥，并添加复合剂以及固化剂，其中复合剂材料规格为TWK-1，固化剂规格为TWK-2，水与注浆材料的比例为1.5：0.5，即桶内水重量为1.5t，材料重量为0.5t。
3.2.2注浆方案各参数确定
①注浆孔深度计算
对煤柱进行注浆时，需根据巷道开挖后围岩的塑性破坏区域进行确定，根据松动圈理论，巷道开挖后松动圈的半径计算公式为： 式中：r为回风巷的半径，m;P为巷道围岩承受的应力水平，MPa;φ为煤体的内部摩擦角，°;C为煤体内的粘聚力，MPa;Ps为巷道的支护强度，MPa。2106回风巷宽度为5.2m，取其一半为2.6m，巷道围岩的应力水平主要与埋深有关，由于煤层埋深平均为500m，取应力水平为9MPa，3#煤内部摩擦角取27°，粘聚力取为1MPa，由于煤柱注浆时未对其进行支护，因此支护力大小为0。将各参数代入上式中，计算得松动圈半径为4.8m。对煤柱进行注浆时，注浆深度一般需大于松动圈半径，但2106工作面煤柱在上区段工作面一侧受采动影响破坏比较严重，若注浆孔深度过大易出现与采空区连通情况，导致采空区内的瓦斯等有害气体进入巷道中，危害工作人员安全，基于此因素，最终确定注浆孔深度为3m。
②注浆压力确定
注浆压力大小对注浆效果有着较大的影响，由于注浆液具有一定的黏稠性，在对煤柱进行注浆时，若注浆压力较小，浆液在煤柱内的流动动力过小，导致浆液无法在煤体内扩散，注浆效果差。若注浆压力过大，浆液的冲击力会导致煤体内的裂隙扩大，导致煤柱进一步发生破坏。根据现场对煤柱内裂隙发育情况的观测，煤柱内裂隙发育较多，多以垂直裂隙为主，因此确定此次注浆压力大小为12.5MPa。
③注浆孔扩散半径确定
注浆液扩散半径主要为浆液在煤柱内的扩散范围，其主要由煤柱内的节理裂隙发育情况决定，根据煤柱的破损情况，并根据过去注浆经验，确定注浆孔的扩散半径为1.5m。
④注浆孔间排距确定
合理的注浆孔间排距能夠保证浆液扩散到整个煤柱内，其次可以避免浆液的浪费，保证注浆效果。由于浆液在煤体内的扩散半径为1.5m，因此确定注浆孔的布置设计为五花状，即注浆孔为一、二布置，第一排布置一个注浆孔，第二排布置两个注浆孔，注浆孔间距为2m，排距为1m，与顶板相邻注浆孔与煤壁角度为15°，其余均与煤壁垂直，注浆孔与顶底板的距离为1m。注浆孔布置如图3所示。
结语
在生产实践中，利用公式计算初步确定窄煤柱尺寸，通过对沿空掘巷深部位移观测数据发现，3m以上范围内顶板基本不发生位移，围岩的整体性保持较好;加固方案实施后，围岩早期离层量、顶板下沉量、片帮和底鼓变形等情况均得到改善。
参考文献：
[1]张慧龙，王镇.沿空掘巷护巷煤柱尺寸的确定与巷道支护设计[J].煤炭与化工，2016，39（10）.
[2]刘兴滨.覆岩隔离注浆充填技术在经坊煤业的应用[J].山西能源学院学报，2017.
（作者单位：冀中能源邯矿集团聚隆矿业有限公司生产准备队）
【关键词】沿空掘巷;加固技术;煤柱
引言
自进入二十一世纪以来，国家经济水平有了巨大的提升，能源经济在其中占有重要的地位，国家的快速发展对能源的需求也越来越大，尤其是对煤炭资源的需求。随着前部煤炭资源的逐渐减少，矿井开采逐步向深部转移，煤层埋深的增大伴随着矿井开采难度逐渐增大。近十几年为提高煤炭资源采出率、减少煤炭资源的损失情况，许多矿井开始采用沿空掘巷留设小煤柱方法。许多研究人员对沿空掘巷开采方法进行了大量的研究，在煤柱应力分布、矿压显现规律等方面获得了许多优秀成果。但一些矿井再采用沿空掘巷留小煤柱方法时，由于煤柱承受载荷较大，工作面回采过程中造成煤柱帮变形大，稳定性差等问题，严重影响工作面的正常回采。
1工程背景
山西某矿2106工作面主采煤层为3#煤，煤层厚度平均为5.78m，倾角为3～8°，平均为5°，属于近水平煤层，工作面煤层埋深平均为500m，煤层结构较为简单，无断层、陷落柱等大构造，属于全区稳定可采的煤层。2106工作面的东部为已经结束回采的2105工作面采空区，西部为2107工作面，工作面巷道尚未开始掘进，目前2106工作面回风巷已经掘进完毕，工作面即将进行回采，工作面布置图如图1所示。工作面之间留设煤柱宽度为10m，2106工作面采用矩形断面，巷道宽度为5.2m，高度为4m，巷道沿煤层顶板掘进，支护方式为锚杆+锚索+金属网联合支护。工作面直接顶为泥岩，厚度约为8m，岩层强度较低，基本顶岩性包括细砂岩和石灰岩，厚度分别为3.5m和5m，岩层坚硬致密，强度较大。工作面采用综合机械化放顶煤技术开采，采用全部垮落法处理顶板。根据对巷道掘进过程中煤柱帮变形的监测发现，围岩变形量较大，煤柱稳定性差，因此提出采用注浆加固方法对煤柱强度进行提升。
2沿空掘巷围岩变形及受力情况分析
2.1沿空掘巷围岩受力和变形分析
沿空掘巷是将巷道布置在位于靠煤柱一侧的低应力场，以便于巷道维护，减少变形量，留设的煤柱可将巷道与采空区隔离，防止采空区的有害气体和水等串入巷道，是目前综放工作面广泛应用的巷道掘进方式。上区段开采完成后，采用直接冒落法使顶部矸石冒落回填至回采巷道，随后在下区段采用沿空掘巷的方式进行回采作业。此过程中，回采区域围岩的受力状态会发生比较大的变化，并产生一定程度的位移，回采巷道顶部岩块会随矸石冒落而发生沉降变形，但由于矸石回填高度有限，内部空间松散，回填区域内支撑力不足，容易导致顶部岩体发生断裂和下沉。在此影响下，相邻下区段回采巷道支护窄煤柱承受的压力也会增大，继而对沿空掘巷围岩的稳定性造成影响。
2.2沿空掘巷窄煤柱的受力分析
位于回填区和窄煤柱上部的岩块发生沉降和受力改变后，会对窄煤柱及附近围岩产生较大的竖向和侧向的压应力，且应力会随着岩层的不断弯曲下沉而向下区段内部转移。生产实践和理论研究显示，沿空掘巷所承受的应力变化是呈特定规律分布的，与采空区越接近，则窄煤柱边缘区域承受压力越大，并在接近采空区处出现应力峰值，以后则会不断降低，在窄煤柱处回落至较低数值。根据受力和变形情况的不同，由综放工作面向矸石冒落区依次可分为原岩应力区、弹性变形区、塑性变形区、松散免压区4个区域。原岩应力区与矸石冒落区较远，基本不受应力变化的影响，该区域受力主要以原岩应力为主;弹性变形区位于原岩应力区与应力峰值之间，距冒落区较远，受影响较小，岩体连续性未遭到破坏，可承受较高的应力;塑性变形区位于应力峰值与松散免压区之间，该区域岩体连续性已遭到破坏，发生塑性变形，但尚有一定的承载能力;松散免压区位于下区段煤岩体边缘，该区域煤岩体连续性在开采扰动下受到比较大的破坏，变形较大，结构较为松散，因而承载力较差，所受压力较小。由上述分析可知，沿空掘巷适合布置在松散免压区，该区围岩松散破碎但应力小，可减轻巷道围岩所承受的煤体变形压力和侧向支撑压力。
3注浆加固方案设计
3.1试验地点
本次对煤柱进行加固的地点为2106工作面回风巷，因生产原因，煤壁注浆加固从巷道220m位置开始，注浆位置如图2所示。
3.2注浆加固方案研究
3.2.1注浆材料选择
根据2106工作面现场煤体及围岩的物理力学性质，3#煤层的抗压强度约为6MPa，顶板细砂岩岩层抗压强度约为51MPa，石灰岩岩层抗压强度约为102MPa，煤层强度较小，顶板岩层强度较大，因此注浆材料主要为硅酸盐水泥，并添加复合剂以及固化剂，其中复合剂材料规格为TWK-1，固化剂规格为TWK-2，水与注浆材料的比例为1.5：0.5，即桶内水重量为1.5t，材料重量为0.5t。
3.2.2注浆方案各参数确定
①注浆孔深度计算
对煤柱进行注浆时，需根据巷道开挖后围岩的塑性破坏区域进行确定，根据松动圈理论，巷道开挖后松动圈的半径计算公式为： 式中：r为回风巷的半径，m;P为巷道围岩承受的应力水平，MPa;φ为煤体的内部摩擦角，°;C为煤体内的粘聚力，MPa;Ps为巷道的支护强度，MPa。2106回风巷宽度为5.2m，取其一半为2.6m，巷道围岩的应力水平主要与埋深有关，由于煤层埋深平均为500m，取应力水平为9MPa，3#煤内部摩擦角取27°，粘聚力取为1MPa，由于煤柱注浆时未对其进行支护，因此支护力大小为0。将各参数代入上式中，计算得松动圈半径为4.8m。对煤柱进行注浆时，注浆深度一般需大于松动圈半径，但2106工作面煤柱在上区段工作面一侧受采动影响破坏比较严重，若注浆孔深度过大易出现与采空区连通情况，导致采空区内的瓦斯等有害气体进入巷道中，危害工作人员安全，基于此因素，最终确定注浆孔深度为3m。
②注浆压力确定
注浆压力大小对注浆效果有着较大的影响，由于注浆液具有一定的黏稠性，在对煤柱进行注浆时，若注浆压力较小，浆液在煤柱内的流动动力过小，导致浆液无法在煤体内扩散，注浆效果差。若注浆压力过大，浆液的冲击力会导致煤体内的裂隙扩大，导致煤柱进一步发生破坏。根据现场对煤柱内裂隙发育情况的观测，煤柱内裂隙发育较多，多以垂直裂隙为主，因此确定此次注浆压力大小为12.5MPa。
③注浆孔扩散半径确定
注浆液扩散半径主要为浆液在煤柱内的扩散范围，其主要由煤柱内的节理裂隙发育情况决定，根据煤柱的破损情况，并根据过去注浆经验，确定注浆孔的扩散半径为1.5m。
④注浆孔间排距确定
合理的注浆孔间排距能夠保证浆液扩散到整个煤柱内，其次可以避免浆液的浪费，保证注浆效果。由于浆液在煤体内的扩散半径为1.5m，因此确定注浆孔的布置设计为五花状，即注浆孔为一、二布置，第一排布置一个注浆孔，第二排布置两个注浆孔，注浆孔间距为2m，排距为1m，与顶板相邻注浆孔与煤壁角度为15°，其余均与煤壁垂直，注浆孔与顶底板的距离为1m。注浆孔布置如图3所示。
结语
在生产实践中，利用公式计算初步确定窄煤柱尺寸，通过对沿空掘巷深部位移观测数据发现，3m以上范围内顶板基本不发生位移，围岩的整体性保持较好;加固方案实施后，围岩早期离层量、顶板下沉量、片帮和底鼓变形等情况均得到改善。
参考文献：
[1]张慧龙，王镇.沿空掘巷护巷煤柱尺寸的确定与巷道支护设计[J].煤炭与化工，2016，39（10）.
[2]刘兴滨.覆岩隔离注浆充填技术在经坊煤业的应用[J].山西能源学院学报，2017.
（作者单位：冀中能源邯矿集团聚隆矿业有限公司生产准备队）