松軟窄煤柱圍巖破壞及控制技術研究

乜盟宰

（晉煤集團晟泰青洼煤業(yè)，山西 臨汾 043500）

為節(jié)約煤炭資源，延長礦井服務年限，留設窄煤柱是最常用的方法。目前窄煤柱護巷正在逐步取代區(qū)段煤柱護巷，但煤柱過小也影響著掘進、回采的安全，窄煤柱寬度的合理確定就成為了眾多學者爭相研究的課題。窄煤柱受采動、掘進擾動等影響，應力重新分布，若煤柱受破壞，頂板承載能力變?nèi)酰瑫е聡鷰r應力向采空區(qū)側(cè)轉(zhuǎn)移[1-2]，壓垮煤柱，影響煤礦安全生產(chǎn)。因此，應在保證巷道穩(wěn)定的前提下，確定窄煤柱寬度。

1 工程概況

晟泰公司青洼煤業(yè)2104 工作面開采煤層為2號煤，煤層中夾0～1層夾矸，傾角為5～7°，平均6°，硬度f=2.7～3.2，煤層平均厚度為4.66 m，穩(wěn)定可采。基本頂為泥巖，厚度3.25 m；直接頂為粉砂巖，厚度4.0 m；直接底為泥巖，厚度1.5 m；基本底為粉砂巖，厚度7.0 m。2104 綜放工作面北部為相鄰煤礦采空區(qū)，南部為2103 采空區(qū)，中間留有窄煤柱巷道。布置如圖1 所示。

圖1 巷道布置圖

2 綜放沿空巷道圍巖變形狀況

2014 綜放面西部為相鄰礦井采空區(qū)，20141 巷在掘進過程中，易受2103 面采動、覆巖運動影響。20141 巷沿巷道底板掘進，凈寬4.0 m，凈高2.6 m，凈斷面積10.40 m2，采用高強度螺紋鋼錨桿、錨索、金屬/塑料網(wǎng)、鋼筋托梁聯(lián)合支護。為研究綜放沿空巷道圍巖變形規(guī)律，經(jīng)現(xiàn)場觀測及查閱相關地質(zhì)資料，得出該礦窄煤柱留設難點：

（1）煤體酥軟，承載力差

2#煤為松軟煤層，煤體硬度系數(shù)f=2.7～3.2，抗壓強度為6.9 MPa 左右，煤體穩(wěn)定性差。20141 巷沿煤層底板掘進，留頂煤約2 m，圍巖具有流變特性，且受采動及采空區(qū)應力分布影響煤體較破碎，存在鋼筋托梁變形、頂板離層甚至冒頂?shù)娘L險。

（2）構造應力突出

2104 工作面南部發(fā)育有正斷層F11，傾角60～75°，落差約8～9 m，構造應力呈現(xiàn)水平方向，對工作面開采有一定影響。由于煤體承載能力弱，構造應力向兩幫傳遞，尤其是煤柱側(cè)，使直接頂向兩幫滑移，煤柱側(cè)幫部及頂角形變量較大，呈現(xiàn)不對稱變形，整體向內(nèi)擠出，煤體破碎，易出現(xiàn)幫鼓現(xiàn)象。

3 綜放窄煤柱巷道方案設計

3.1 優(yōu)化支護參數(shù)

原支護參數(shù)：頂部支護為錨桿、錨索聯(lián)合支護，每排6 根錨桿，間排距700×800 mm，單體錨索為“2-1-2”布置；幫部采用錨桿支護，錨桿每排4 根，間排距700×800 mm；用金屬菱形網(wǎng)護頂、幫。如圖2 所示。

圖2 優(yōu)化后支護參數(shù)

優(yōu)化支護參數(shù)：增加預應力桁架系統(tǒng)，每個系統(tǒng)由2 根桁架錨索與一個連接鎖緊器組成。桁架錨索為“2-0-2”布置，普通單體錨索型號為SKP17.8-1/1860-7300，但鉆孔深度不同，桁架錨索孔深6 m，通過桁架錨索連接鎖緊器連接長度為1.3 m。

3.2 煤柱寬度留設

國內(nèi)沿空掘巷窄煤柱留設寬度一般在3～6 m。窄煤柱一般處于相鄰采空區(qū)形成的破裂區(qū)和塑性區(qū)之間，巷道開掘后塑性區(qū)向深部轉(zhuǎn)移。為保證巷道穩(wěn)定，需堅持以下原則：（1）盡量將巷道布置在應力降低區(qū)域，避免應力集中，保證巷道穩(wěn)定；（2）在保證安全的前提下，減小煤柱寬度，降低煤炭資源損耗，提高資源回收率；（3）煤柱寬度要大于錨桿有效錨固范圍，并留有富足寬度[3]。

采用數(shù)值模擬的方法分析煤柱寬度留設，建立以2103 采空區(qū)及沿空巷道為模型的數(shù)值模擬。模型尺寸為155×470×100 mm，模型上部施加7.3 MPa 的載荷，并約束水平方向、垂直方向位移，模擬2103工作面的回采及側(cè)向支承應力對21041 巷的影響。

在采空區(qū)范圍內(nèi)布置2 條測線，監(jiān)測采空區(qū)中部及邊界應力變化。由圖3 可知，在2103 采空區(qū)邊緣約5 m 處支承應力達到最小值（1#測線約1.5 MPa，2#測線約0.9 MPa），隨后隨著煤柱距離越大，支承應力逐漸增大，在距采空區(qū)邊緣80 m 處基本達到穩(wěn)定值（1#測線約7.2 MPa，2#測線約6.7 MPa），并接近原巖應力7.3 MPa。由此可知，位于采空區(qū)5 m范圍左右，此時處于應力降低區(qū)。

圖3 應力分布圖

根據(jù)2103 工作面回采礦壓觀測數(shù)據(jù)及側(cè)向支承壓力分布規(guī)律，結(jié)合經(jīng)驗類比法，煤柱寬度設計應在5 m 左右。此時窄煤柱內(nèi)支承應力較低，煤柱具有一定承載力。

3.3 注漿加固

為提高窄煤柱承載力，采取注漿措施充填煤層裂隙，使幫部圍巖形成整體，改善圍巖應力，提高幫部圍巖自承載力[4]。注漿孔每次施工2 個，在掌面距頂板2 m 處鉆孔，鉆孔眼距為3 m，距幫1 m，孔深3m。每掘進3 m 注漿一次。注漿材料為聯(lián)邦加固Ⅰ號（雙液），正常注漿水灰比0.8:1，漏漿嚴重時可適當減低水灰比，最低控制在0.7:1，漿壓力6～8 MPa。現(xiàn)場施工時采用低壓低流緩慢注漿工藝。當漏漿嚴重時，應適當降低注漿壓力。

4 巷道圍巖觀測

（1）測點布置

為掌握煤柱內(nèi)部應力變化，對窄煤柱進行鉆孔應力監(jiān)測，共布置7個測點，7個測點深度分別為1 m、1.5 m、2 m、2.5 m、3 m、3.5 m、4 m，測點間距為5 m。

（2）礦壓觀測分析

圖4 2103 回采過程中煤柱應力變化圖

由圖4 可知，沿工作面走向，隨著2103 工作面的推進，相對垂直應力也在變化，在60～24.5 m變化值不大，應力峰值區(qū)域基本在10.5～16 m 范圍，此后應力隨著工作面推進距測點的距離減小而減小，說明2013 工作面超前影響范圍在24.5 m。沿工作面傾向，窄煤柱內(nèi)垂直應力變化隨測點距煤柱幫距離的變化而變化，峰值基本出現(xiàn)在2.5 m 范圍處，5 m 煤柱應力分布較均勻，承載力較強[5]。

5 結(jié)論

（1）模擬2103 工作面的回采及側(cè)向支承應力對21041 巷的影響。隨著煤柱距離越大，采空區(qū)支承應力逐漸增大，距采空區(qū)邊緣約5 m 處為支承應力降低區(qū)，并確定采用5 m 窄煤柱護巷。

（2）針對青洼煤業(yè)松軟窄煤柱巷道煤體酥軟、承載力差、構造應力突出的難點，采取錨網(wǎng)支護、桁架錨索補強、煤柱幫部高壓注漿等圍巖控制技術措施后，5 m 窄煤柱承載能力增強，巷道圍巖完整性良好。