綜采面小煤柱留巷支護設計研究

＊王軒揚

（山西汾西宜興煤業有限責任公司 山西 032300）

綜采面護巷煤柱寬度直接關系到煤炭采收率、巷道穩定性，因而本次研究結合煤礦工程地質條件，重點對8102綜采面小煤柱沿空掘巷頂板控制、開采加以研究，以便確保綜采面運輸巷道支護設計的可行性、合理性，更好地維護企業方面的經濟效益。

1.工程基本情況分析

以8102工作面采煤層為例，19#煤層厚度在8.25m左右，上段煤層厚度、泥巖厚度、高嶺巖厚度、下段煤層厚度分別約為：3.5m、0.42m、1.45m、2.36m。19#煤層南I輔助盤區8102工作面的斜長、煤層傾角分別為：940m、5°。

2.煤柱尺寸留設計算方案的確定

以往，綜采工作面留設護巷煤柱寬度約為32m，為降低煤炭造成的損失，確保回采面采收率，建議在5102巷使用沿空掘巷的形式進行布置，相近采空區壓實處理。數值模擬主要對護巷煤柱寬度加以研究、分析，能夠通過適合的方法處理，建議使用FLAC-3D軟件進行各個沿空掘巷煤柱尺寸巖層移動特征的分析，然后從中選出最適合方案。聯系礦井生產狀況來看，煤柱尺寸共有3～12m幾個方案，每個方案的尺寸比上一個方案高2m，經計算結果可以了解到上述方案塑性區域、應力分布以及所造成巖層移動的結果比較差異較小，煤柱尺寸過小條件下沿空掘巷圍巖變形非常大，處于應力集中/高應力煤柱較小條件下，利于提高工作面回采巷道的穩定性。使用大煤柱方案處理，開采初期圍巖變形幾率比較小，然而隨著開采的深入推進，因巷道兩側應力集中加大、煤柱及煤幫為高應力條件下，故而會使得巷道兩幫、底板變形率升高，此時則會對巷道的穩定性構成不利的影響[2]。針對于此，需順著采空區布置5m煤柱開采作業，進而提高煤炭開采量，達到生產的需要。

3.小煤柱留巷道圍巖控制基本原理

小煤柱巷道掘進前，采空區四周順著傾斜方向煤體內應力分布情況可見，小煤柱巷道掘進位置處于殘余支撐壓力峰值，巷道掘進后窄煤柱受到外界作用發生破壞的概率加大，而且會造成煤柱——巷道移動的現象[3]。巷道一側煤體經原承受高壓彈性區——破裂區和塑性區發生變化，這時支撐壓力于煤體深處轉移，煤體經巷道的方向出現位移情況。窄煤柱巷道于巷道掘進過程中處于高速變形的狀態，頂板下沉、底板鼓起問題比較突出。需要注意的是，巷道壓力來源于小煤柱一側，因小煤柱受損嚴重，對頂板支撐的作用較小，同時巷道跨度、懸頂距離加大，故而使得小煤柱巷道圍巖變形的可能性加大。這說明，煤柱側巷幫為加強支護主要位置，需要認真做好這一位置變形控制工作。

4.綜采面運輸巷道支護設計及監測要點

(1)錨桿支護方案設計要點

5102巷順著19#煤層底板掘進，巷道的寬度、上幫高度、下幫高度分別為：3.5m、3.2m、2.6m，因19#煤層埋深約為185m，所以巷道支護的過程可使用錨桿+金屬網+梯子梁作業。綜采面運輸巷支護相關參數分析：①頂板支護結構、間排距、規格、支護參數最小預緊力、最小錨固力、材料分別為：錨桿、900mm×900mm、φ20mm×2200mm、28kN、125kN、無縱筋左旋螺紋鋼；②支護結構、間排距、規格、支護參數最小預緊力、最小錨固力、材料分別為：錨桿、880mm×880mm、φ20mm×2200mm、28kN、125kN、無縱筋左旋螺紋鋼；③下幫支護結構、間排距、規格、支護參數最小預緊力、最小錨固力、材料分別為：錨桿、800mm×880mm、φ20mm×2200mm、28kN、125kN、無縱筋左旋螺紋鋼。

(2)注漿加固方案設計要點

注漿加固，即為將滲透性較佳漿液經裂隙主導破碎煤體，然后借助漿液密室、骨架的作用，使得破碎煤體連接形成完整整體，以此完善煤體性能，提高承載力[4]。注漿加固使用的為水、硅酸鹽水泥及固化劑TWK-2,3者的比例為：0.6:1:1.2。與此同時，將注漿壓力設定在1.2MPa左右，這個過程考慮到注漿鉆孔施工，煤柱為5m，明確注漿鉆孔深度后在上部、下部分別設置注漿鉆孔開孔，和巷道頂板、底板的距離為550mm。

(3)頂板下沉監測要點

巷道掘進、4823綜采面推進的過程，需對頂板下沉量作以觀測，通過觀測數據可見，4823回采運輸巷頂板總體下沉量非常小，巷道掘進1周左右巷道頂板離層速度在每日1.5mm左右，然后巷道頂板離層速度下降4周左右保持比較穩定的狀態。巷道掘進時巷道頂板累積下沉量在22mm左右，可以提高巷道的穩定性。4823綜采工作面回采1周左右因回采面、頂板離層儀的距離不會很近，所以不能很好地顯示出頂板的下沉量參數變化。綜采面持續推進，巷道頂板上部巖層受到采動因素所影響發生下沉現象，下沉量約為每日5mm，到回采面推進的時間約為4周，巷道頂板下沉量在125m左右。在此之后，巷道頂板下沉量增加數值有一定變化，待8周后達到頂板離層布設位置，這時頂板下沉量約為190mm。

(4)兩幫變形量監測要點

4823綜采面運輸巷掘進、綜采面工作面開采巷道兩幫變形量監測發現，該綜采面運輸巷沿空掘巷的時候，巷道兩幫變形參數較小，2周內變形量約為120mm，然后巷道兩幫變形量處于穩定的狀態。綜采面回采前小煤柱注漿作業完成，漿液強度達到設計范圍，這時小煤柱幫因受到注漿密實、骨架支承因素影響，所以小煤柱側變形量在45mm左右，不會很大。實體煤幫回采面、巷幫測點間間隔較小，這時圍巖變形量較大，直至綜采面推進8周，實體煤幫變形量約為0.8m。由此可見，使用錨桿、注漿加固技術處理，有助于避免發生巷道圍巖變形的現象[5]。錨桿支護、錨索支護時，會使用到鋼筋托梁、金屬網及錨索托板等，為促使錨桿、錨索間達到支護系統讓壓需要，應該聯系錨桿錨索受力、屈服強度，將頂板、巷幫支護分別在錨桿部位安裝，焊接鋼筋托梁以便為順利進行錨桿安裝奠定基礎。

(5)巷道底板變形監測要點

4823綜采面運輸巷掘進階段，底鼓量不會很大，而且隨著綜采面推進，因巷道底板為泥巖，巷道底板發生變形情況的概率加大，這時底板最大底鼓量約為1.3m，為促使巷道得到合理運用應作以起底處理。

(6)頂板離層監測要點

為更好地對巷道頂板離層實行監測，建議對所有斷面頂板巷中合理布設頂板離層儀，數量為28個。以離層儀監測角度分析發現，絕大多數深部離層儀離層數值呈“0”的狀態，前部離層儀存在一定數值，需控制在安全的范圍。離層儀監測結果中錨桿支護方案的確定，可以確保頂板的穩定性，頂板位置無離層。局部構造區域顯現頂板為裂隙發育，經減小錨桿排距、錨索補強等相關對策處理，可有效保障圍巖穩定性。以巷道頂板離層監測數據分析發現，巷道頂板圍巖未產生嚴重變形，巷道頂板圍巖安全、穩定，可以為巷道的正常應用提供良好支持[6]。

(7)錨桿受力監測要點

為確保錨桿、錨索支護構件保持受力的狀態，應該按要求安裝錨桿及錨索測力計，對錨桿及錨索構件受力情況進行監測。錨桿初始受力＞15kN、錨桿最大受力＞30kN，待錨桿加預緊力后受力有所改變，因而需及時進行巷道支護作業，以便嚴格控制巷道圍巖變形情況的發生。錨索高預緊力后，巷道開挖在28m左右，初始力會發生不同程度變化，28m后錨索受力穩定，縱觀各方面來觀察巷道支護施行加強錨桿支護、錨索支護，不會致使巷道圍巖發生過大的受力改變。

(8)巷道支護加固施工監測要點

加固施工的過程要求相關工作人員使用鋼筋混凝土結構支護加固方式支護防御，將混凝土支柱、煤壁距離設置為1800mm左右，支柱中心排列距離控制在1850mm左右。除此之外，應該實行注漿相關數據參數的備注工作，旨在提高加固樁柱穩定性，將注漿土泵、管道、基礎構架于部件，如：將混凝土泵運輸傳輸量控制在每小時20m3左右，混凝土泵壓強控制在5MPa左右，避免出現防爆電機燒毀的問題。工程建設期間遵循工作流程操作、管理，堅持事中事后同時監管的原則處理，如：施工前期可評判施工方案是否合理，以便及時排除存在的安全隱患。在灌漿加固時合理運用相關工藝技術，加大巷道支護系統的應用范圍，以安全防護為主作業，進而確保工程施工的整體質量、安全性[7-8]。

5.綜采面小煤柱留巷支護設計

(1)小煤柱留巷支護方案的預選情況

選擇小煤柱留巷支護方案的時候，需滿足專業要求，在工程建設下合理設計并布置巷道，經研究發現巷道設計、布置情況，直接關系到煤礦善存、煤礦頂板、地質水文條件，以及煤壁巖石構造受力、煤塵瓦斯控制等多個方面。棚架支持保護結構、破碎煤壁巖石，實行錨桿錨索支護和小煤柱注漿加固工作，為綜采工作面小煤柱留巷支護的基本形式，棚架應配置適宜尺寸鋼筋支持架，加強對網罩的保護，避免發生煤壁坍塌問題。聯系使用、操作過程發現，棚架支護為被動支護，無法對煤壁巖石控制加以預判，而且在這個過程受到破壞的可能性較大，不能確保巷道的穩定[9-12]。破碎煤壁巖石錨桿、錨索，促使煤壁巖石的牢固性得到有效保障，煤壁巖石裂縫會得到很好的處理，鋼結構、混凝土承載牢固結構，可以有效發揮承載的作用，避免發生大斷面、高應和力巷道煤壁巖石變形問題。另外，通過注漿的形式加固支護，破碎煤壁巖石中會注入適量的混凝土土漿液，這時開口存在膠黏性，注漿技術控制下煤壁巖石內部裂縫得到彌補，便于及早恢復原貌，提高巷道的安全。小煤柱留巷巷道支護施工的過程，巷道會開發新的巷道，這就需要認真做好破碎煤壁巖石錨桿及錨索支護維護工作。除此之外，和原棚架支護架相對比，注漿使得形狀發生一定變化，這時應用綜采工作面小煤柱留巷支護技術處理，這種方法在確保支護安全性方面的效果理想，所以建議使用注漿的方式加固[13]。

(2)增加錨桿和錨索支護最大可變形量

采用沿空留巷變形破壞的概率較高，所以容易造成錨桿支護失效、錨索支護失效，而這也是支護體最大可變形量非常低的主要原因。針對于此，綜采面小煤柱留巷支護的時候應增多錨桿和錨索最大可變形量，如：選用恒阻大變形錨桿和錨索，在支護效果方面優勢突出。高恒阻、高預應力、抗沖擊力學特征下，深部巷道挖掘后恒阻大的變形錨桿、錨索，以高預應力的作用促使圍巖表層獲得理想的加固效果，有效轉變前部圍巖應力情況。如此一來，利于很好地處理以往錨桿支護、錨索支護以及相關預緊力施加問題，確保支護體系巷道表層圍巖徑向應力效、圍巖完整性。除此之外，外部載荷＞恒阻大變形錨桿恒阻值，或是錨索恒阻值，則會造成變形問題的出現，該種變形經恒阻器內部結構滑移出現，聯系恒阻大變形錨桿和錨索使用進行分析，未見屈服變形的現象，提示可改變傳統錨桿及錨索支護期間屈服的狀態，并且防止發生破斷的現象。在巷道變形期間獲取高恒阻值，能加強圍巖塑性區承載方面能力，針對不均勻應力支護體構成的作用，恒阻大變形錨桿、錨索經自身結構調節集中應力后釋放應力，便于使得支護體系受力更加均勻，逐漸形成圍巖和支護體耦合，支護系統穩定、可靠。

(3)確保綜采面支護的效果

支護過程中需重視支護的整體效果，如：選用錨桿、錨索、鋼筋網、W鋼帶、槽鋼支護方案，堅持適度讓壓、強化支護原則進行耦合支護，此時錨桿支護能加強圍巖承載方面能力，促使深部穩定圍巖對淺部圍巖構成限制，達到支護體、圍巖強耦合的效果。頂板及兩幫錨桿選擇W鋼帶，頂板錨索采用槽鋼完成連接，巷道頂板、梁板呈組合梁結構，有助于錨桿和錨索破斷情況的發生率得到有效控制，然后逐漸形成圍巖、支護體剛度耦合。錨索托盤內部應用木托盤，外部選用鐵托盤，目的為促進圍巖變形吸收，避免圍巖表面應力集中所致巷道壁受到破壞情況出現。

6.圍巖控制的效果

為明確支護方案圍巖控制的效果，建議在巷道掘進的過程中安裝2組表面位移測站，主要實行巷道頂板下沉、兩幫移近情況量測。巷道掘進≤40m圍巖表面變形速率加大，巷道變形主要在這一區域發生，究其原因和巷道開挖所致圍巖在較短時間卸荷有關，因而在應力場重新分布下促使圍巖切向應力升高，巖體承受偏應力＞巖體承受抗剪強度，此時圍巖容易發生擴展破壞問題，并且巷道開挖初期表面位移的可能性加大。表面位移變化距離掘進頭60m左右時能保持穩定的狀態，圍巖應力重新分布完成，支護方案可靠，故而可以提高圍巖承載力，變形不會受到開挖因素所影響并能保證穩定性[14-15]。

7.綜采面小煤柱留巷支護設計的經濟效益

以19#煤層南I輔助盤區8102綜采面出發，預留5m小煤柱、預計回采后可采18.5萬噸煤，按照當前售價18.5萬×320元/噸計算，可獲得創收金額5920萬元。這一項技術在全區推廣，能夠確保礦井煤炭的回采率，延長礦井的生產時間，并且有效維護煤礦企業的經濟效益、社會效益。

8.結語

19#煤層南I輔助盤區8102綜采面運輸巷使用的為小煤柱沿空掘巷，經模擬分析了解到小煤柱護巷可以提高回采巷道的效率、安全性。除了編制相應的錨桿支護方案、注漿加固方案外，同時應做好頂板下沉、兩幫變形量、巷道底板變形，以及頂板離層和錨桿受力等方面監測工作，科學利用頂板錨網、中部加鎖，在兩幫錨網和鋼筋梁中部位置加鎖，聯系支護強度相關標準調整支護方案，從而提高煤炭資源的利用率，促使巷道圍巖保持穩定。