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摘要：小煤柱沿空掘巷靠近采空区，客观上给支护带来了困难。虽然东部矿已有大量实例，但西部矿域内关于小煤柱沿空掘巷技术的研究与应用还很少，尤其是大采高、多岩层叠加作用下的沿空掘巷技术更是缺乏可借鉴的实例。该矿区现有的小煤柱沿空掘巷工艺，无法保障其成功实施。鉴于此，迫切需要解决该类型地质条件下窄煤柱沿空掘巷围岩控制技术问题，并对其进行系统、深入的理论与方法研究，是一项迫切需要解决的问题。

关键词：矿井；煤柱宽度；巷道支护技术

0引言

随着矿山开采水平的提高和开采设备的更新，中厚 煤层开采技术的发展趋势是集约化、大型化。大型综采 工作面回采巷道横截面较大，受采动影响较大，且矿压 明显较重。研究成果对提高煤层资源回收率，提高矿井 经济效益，保障区段巷道体系的安全通畅，促进区域生 产体系的建设，以及大采高综放工作面的安全高效开采 都具有重要的现实意义。

1 工程概况

中天合创葫芦素矿井四盘区首采 21405 工作面平均  埋深约 650 m，平均煤层厚度 4.74 m，长度 3085 m，宽  度 300 m。开采的 2-1 煤层直接顶为 3.1～15.73 m 的细  砂岩或中砂岩，直接顶上方赋存多层坚硬顶板。目前  21405 工作面已完成开采。该工作面回采结束后，将沿  着采空区边缘掘进 21404 回风巷，实施小煤柱沿空掘巷， 巷道宽 5.4 m、高 3.3 m。

2 层裂板力学模型

随着煤层巷道的开挖，巷帮围岩由原来的三向应力状 态变为二向应力状态，甚至会出现单向应力状态，巷道煤 壁附近的煤岩体在顶、底板夹持作用下压应力集中，产生 大量的次生裂隙，次生裂隙沿煤壁压应力方向扩展，并与 自由表面相互作用，从而加速裂隙的增长与贯通，导致 裂纹面发生分离，最终形成围岩体层裂板结构。从整体 来看，沿巷道走向各煤壁片帮过程中的分离层将联合形成 层裂板结构，因此，可以建立层裂板结构模型进行分析。

根据层裂板的结构，可以对其建立力学模型进行

简化，煤体在顶底板的夹持作用下，相当于受到纵向的  均布载荷 σ ，因为裂隙的扩展，层裂板结构与内侧煤体  之间以及层裂板单板之间的作用力很小，可以忽略不计， 在平行于巷道轴向方向，取一段煤体分析，将层裂板假  设为高度为 h，宽度为 b，厚度为 a 的矩形薄板，假定  轴向方向上为自由边界，这样可以得到层裂板结构的力  学模型，如图 1 所示。

煤岩体在顶、底板夹持力作用下，巷道顶角、底角 位置煤岩体完整性较差、破损程度高，当层裂板屈曲变 形时，层裂板边没有侧向变形，层裂板边挠度为 0，但 可发生转动，可考虑简化为简支约束；如煤岩体完整性 较好、破损程度较弱，当层裂板屈曲变形时，层裂板边 挠度变化为 0、转角也为 0，则可简化为固支。后续层 裂板的相关稳定性分析将分别基于层裂板边两端简支、 固支约束两种情形。对于具体的回采巷道，煤帮的完整 性、破损程度并不十分明确，层裂板结构边界的约束条 件难以准确判断，出于安全考虑，以简支约束模型失稳 载荷为临界值，控制煤岩体层裂结构的承压载荷，最大 程度维护煤岩体静力稳定性 [1]。

事实上，岩板层间存在着一定的剪切力或摩擦力， 并对岩板弯曲产生影响，但当岩板很薄且处在微弯时， 尤其对于外层煤岩体板，层间的影响将变得很微弱。为 此，这里忽略煤岩体板层间的剪切力或摩擦力，并将各 薄层考虑为相同的理想板状，这样多层煤岩体板结构模 型可简化为两端简支约束的单板模型。

3 21404 沿空掘巷小煤柱宽度确定

3.1  小煤柱宽度的确定原则

低应力原则。沿空掘巷位于采空区侧向的应力降低   区内，有利于巷道围岩的稳定。保证锚杆锚固效果原则。 煤柱宽度至少应大于煤帮锚杆长度，使锚杆能锚固在煤  柱中。此外，若煤柱宽度选择较窄，可能使锚杆安设在   破碎煤层中，致使锚杆锚固力减弱，支护效能降低。在   考虑合理煤柱宽度时，应保证锚杆锚固端处于相对稳定  的煤体中，从而提高锚杆锚固力，高效发挥锚杆的支护   作用。

姿态自稳原则。合理的宽高比（煤柱宽度和煤柱高 度之间的比值）能够促进煤柱姿态自稳。提高煤炭资源 回收率原则。当小煤柱满足上述要求时，小煤柱宽度应 尽可能小，以提高煤炭回收率 [2]。

3.2  煤柱宽度的确定方法

在采空区中，采空区会在侧面产生应力减小区、应   力升高区（即支撑压力区），在煤体边界会形成破碎区、 塑性区，并沿着采空区的边沿进行巷道开挖，尽管是在   减小区，但其周围岩石较为破碎，这就给煤柱的选型提   出了更高的要求。煤柱的两边都是破碎区，其承载力很   小。在回采过程中，存在着超前支护，超前支护将导致   窄煤柱进一步受压、破裂，进而引起顶板再次破断，同   时，巷道内的压力也将迅速增大，导致巷道变形加剧。

对于窄煤柱的受力特点，人们普遍认为：窄煤柱沿空掘 巷处于低应力区域，有利于沿空掘巷支护；在保留窄煤 柱的沿空掘巷中，掘巷扰动引起的侧向支压力再分配，

使得巷道在掘进过程中不但会产生大的变形，且会因为  先前的大变形而难以在掘进后的稳定期中对其进行有效  控制。沿空掘巷遗留的煤柱由于宽度小，稳定性差，容  易产生裂隙，甚至破裂。同时，由于狭长煤柱的支撑力  很小，导致巷道的跨度增大，悬顶距离增大，给巷道的  养护带来困难；从其特点出发，将其界定为：沿空掘巷  留出的 3～7m 宽护巷煤柱，该煤柱处于沿空边部的煤体内， 并具有一定的围岩变形能力。

4  21404 回风顺槽小煤柱沿空掘巷支护方案

4.1  巷道断面、掘进装备及施工时机

4.1.1  巷道断面

设计小煤柱宽度为 6 m。沿空巷道断面形状为矩形， 掘进断面为：宽 × 高 =5.4 m×3.6 m，断面积 19.44 m2 。 4.1.2  掘进装备

建议优先选用综掘机掘巷。综掘机和掘锚机施工特  点对比分析如下：①综掘机施工时掘进一排即支护一排， 支护紧跟迎头，能够对顶帮围岩起到及时约束的作用。

而掘锚机施工时，受限于滚筒和钻臂前后分布方式，掘 进期间迎头的最小空顶距离为 1.4 m，而最大空顶距离 达到 2.4 m（以排距 1 m 计）；最小空帮距为 2.9 m，而 最大空帮距达到 3.9 m。顶帮支护分别滞后迎头 1.4 m、3.9 m，从而给帮顶煤岩变形创造了时间和空间，不利   于变形控制。②综掘机施工时，截割部小、割煤扰动小， 对顶帮扰动弱。而掘锚机施工时，截割部比较大，巷道   自上而下一次截割成形、割煤扰动大，对顶帮扰动较强。 ③综掘机施工时，顶板采用单体钻机支护，锚杆索可均   匀布置、锚固盲区较小。而掘锚机施工时，顶板采用机  载钻机支护。垂直岩面安装锚杆时，锚杆索受钻机位置  影响而不能均匀布置，中部锚固盲区较大，达 2 m，顶   板压力更容易向两帮转移 [3]。

4.1.3   施工时机

小煤柱沿空巷道位处采空区边缘，若采空区覆岩运 动尚未结束、采空区周边岩体应力演变尚未趋稳就急切 掘巷，则巷道在掘进期间即会发生明显变形（尤其是底 鼓）。因而，应选择合理的掘进时机，最大程度避免采 动影响。本方案确定的掘进时机，应满足下述要求之 一：①工作面后方 1 000～1 500 m 以外（3～5 个工作面 宽度、2 倍以上埋深）。②回采结束 3 个月以上。

4.2  支护方案（综掘机施工）

4.2.1  顶板支护

柔性锚杆厚支。顶板采用 Ф21.8×4 300 mm 柔性  锚杆压钢筋网支护，每排 4 根布置，间距 1 400 mm，排距  1 000 mm。每根柔性锚杆搭配1块300 mm×300 mm×16  mm拱形钢托盘、1个KM22型锁具。钻孔使用Ф28 mm钻头， 钻孔深度4 000 mm。每根柔性锚杆搭配1节CK2370（在  内）、1节K2370（在外）树脂锚固剂，锚固长度2 100 mm。 柔性锚杆露出岩面300～350 mm、露出锁具150～200 mm。 “编织+焊接”钢筋网护表，规格为Ф6.5×5 400×1 100 mm， 网孔尺寸为100 mm×100 mm。钢筋网搭接100 mm，采用14#铁丝双股扭结并不少于三扣，要求双边孔孔相联。顶板 柔性锚杆全部紧跟巷道迎头，且垂直岩面安装。预拉力 为200 kN。

在两排柔性锚杆 1 号与 2 号、3 号与 4 号之间的“五  花眼”位置，施工一根规格为 Φ28.6×7 300 mm 的长锚索， 排距 2 000 mm，形成左右迈步交错布置。每根锚索搭配 1  块 300 mm×300 mm×20 mm 拱形钢托盘、1 个 KM29 型锁具。 钻孔使用 Ф38 mm 钻头，钻孔深度 7 000 mm。每根锚索搭  配 1 节 CK2370（在内）、2 节 Z2370（在外）树脂锚固剂， 锚固长度 3 100 mm。锚索露出岩面 300～350 mm、露出锁  具 150～200 mm。顶板锚索垂直岩面安装，滞后于综掘机  后方施工。预拉力为 300 kN。

4.2.2   帮部支护

刚性锚杆短支。巷道两帮均采用 Ф22×2 500 mm 左  旋无纵筋螺纹钢锚杆（屈服强度 500 MPa）压菱形金  属网支护，锚杆间距 950 mm、排距 1 000 mm。每根锚  杆搭配 1 块 150 mm×150 mm×10 mm 拱形钢托盘、1 块  400 mm×280 mm×5 mm 钢托盘护表，1 只高强度扭矩螺母， 螺母与托盘之间需配有调心球垫和减摩垫圈。

钻孔使用 Ф28 mm 钻头，钻孔深度 2 400 mm。每根   锚杆搭配 1 节 CK2335（在内）、1 节 K2370（在外）树脂  锚固剂（至少不得低于 1 节 CK2370），锚固长度 1 400 mm。 安装后螺母以外的锚杆丝扣段长度应在 10～40 mm 之间。

菱形金属网护表，金属网规格为 3.7 m×1.3 m，采 用 8 号镀锌铁丝编织，网孔尺寸为 50 mm×50 mm。帮网 之间以及帮网与顶网之间搭接长度各为 200 mm，搭接部 位每隔 200 mm 三花迈步绑扎，用 14# 铁丝双股扭结，不 少于三扣。

煤帮顶角和底角锚杆向外倾斜 15°安装，其余锚杆 全部垂直岩面安装。两帮上部 3 根锚杆紧跟巷道迎头安 装，下部 1 根锚杆可滞后迎头 3 m 安装。锚杆预紧扭矩 不小于 300 N ·m。

柔性锚杆长支。每隔两排螺纹钢锚杆施工 2 根柔性 锚杆，柔性锚杆规格为 Ф21.8×4 300 mm，间排距为 2 200×2 000 mm。每根柔性锚杆搭配 1 块 300 mm×300 mm ×16 mm拱形钢托盘、1个KM22型锁具，锁具与托盘之间 需配有调心球垫。

钻孔使用 Ф28 mm 钻头，钻孔深度 4 000 mm。每根柔 性锚杆搭配 1 节 CK2370（在内）、1 节 K2370（在外），锚 固长度 2 100 mm。柔性锚杆露出岩面 300～350 mm、露出 锁具 150～200 mm。上下柔性锚杆均外斜 30°安装，保持紧跟迎头施工。预拉力为 200 kN。每隔两排螺纹  钢锚杆垂直岩面施工 1 根柔性锚杆，柔性锚杆规格为   Ф21.8×3 500 mm，排距为 2 000 mm。所用支护材料规格、 施工安装时机、预紧要求同上。具体支护参数见图 2。

5  结束语

总而言之，一定要严格按照支护设计的相关规定进  行施工，将钻孔角度、深度、树脂锚固剂的数量和质量、 钻机输出扭矩等各方面落实到位，使预紧力和锚固力都  达到设计要求，从而保证支护质量达标。施工单位要安   排专职人员对巷道后路进行日常巡视和监控，一旦发现  锚杆崩断、锚索退锚、围岩异常等情况，要立即向相关   技术部门和领导汇报，制定切实可行的补强支护方案，

及时消除安全隐患。在支护作业过程中，如遇煤层顶板 较破碎，底板底鼓量较大，顶帮位移量明显增大，围岩 节理发育，突发性片帮掉渣，巷道不易成型，顶帮出水 增大，必须马上停止作业，查明原因，并采取相应的对 策，确保安全后才能进行下一步的工作。

参考文献

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[3]  殷帅峰 ， 李娅琪 ， 李昊 ， 等 . 沿空煤巷过断层破碎带围岩控 制技术研究 [J]. 矿业安全与环保 ，2022，49（5）：102-108.

[4]  陈志维 ， 张彦董 . 窄煤柱沿空掘巷围岩稳定协同控制技术研 究与应用 [J]. 矿业安全与环保 ，2023，50（1）：65-70.

[5]  韩鹏 . 沿空掘瓦斯抽排巷合理煤柱留设尺寸研究与应用 [J]. 同煤科技 ，2022（2）：12-14.