華陽一礦小煤柱孤島工作面回采巷道圍巖支護優化研究

趙晉龍

（山西華陽集團新能源股份有限公司，山西 陽泉 045000）

0 引 言

為避免生產與接替采面間的干擾以及便于瓦斯、煤層自燃災害治理，井下部分采面采用跳采方式，從而會遺留有兩側均為采空區的孤島工作面。與正常的采面回采不同，孤島工作面兩側均為采空區，導致采面出現一定程度的應力集中，加之采面回采擾動影響，導致回采巷道圍巖變形量較大，特別是孤島工作面留設小煤柱護巷時，圍巖控制難度更大。為此，眾多的學者及工程技術人員對孤島工作面回采巷道圍巖控制方面展開大量研究，其中駱馳等針對永煤陳四樓礦孤島工作面現場地質條件構建數值模擬及相似模擬模型，綜合分析發現窄煤柱在維護巷道圍巖穩定方面起著重要作用，煤柱寬度超過5 m 后隨著煤柱寬度增加煤柱內應力集中系數變化不明顯，同時孤島工作面采用全錨索支護可有效維持巷道圍巖穩定；崔守臣等通過模擬試驗、鉆孔窺視等分析孤島工作回采巷道變形，發現孤島工作面圍巖松動圈破碎程度最為嚴重區域為采空區側煤柱、其次為巷道頂板、最后為采面幫，巷道變形破壞最為薄弱環節為頂板及采空區側煤柱。

在前人研究的基礎上，對山西華陽一礦12062孤島工作面支護問題進行研究。12062 下巷與12041 采空區間留設有6 m 保護煤柱，12062 上巷與12081 采空區留設有25 m 保護煤柱，此次研究以12062 下巷圍巖控制為背景，對小煤柱孤島工作面回采巷道圍巖支護技術進行探討，以期為其他礦井類似采面回采巷道支護工作開展提供經驗借鑒。

1 工作面概況

1.1 地質概況

華陽一礦12062 綜采工作面回采12 號煤層，煤層為優質煤，具有低硫、低灰、發熱量高等優點，開采經濟效益十分顯著。12062 綜采工作面位于礦井二采區南翼，采面北側及南側均為回采完畢的采空區，12062 上巷及12062 下巷分別留設6 m、25 m 保護煤柱，采面東側為采區邊界（實體煤）、西側為采區集中巷道，具體位置如圖1 所示。

圖1 12062 綜采工作面位置示意Fig.1 Location of 12062 fully mechanized mining face

12062 綜采工作面回采的12 號煤層埋深均值390 m，煤厚2.2～2.6 m、傾角0～8°，設計推進長度995 m、斜長148.4 m。12 號煤層上覆有厚0～1.5 m 的砂質泥巖偽頂，直接頂為厚度3.16 m的粉砂質泥巖，基本頂為厚度2.11 m 的砂巖；煤層直接底為厚度3.87 m 的粉砂質泥巖、基本底為5.98 m 石灰巖。

1.2 12062 下巷支護參數及圍巖變形情況

12062 下巷沿著回采的12 號煤層底板掘進，斷面為矩形，凈寬4 000 mm、凈高2 600 mm，凈面積為10.4 m2。圍巖采用錨網索梁支護，詳細支護參數見表1。

表1 12062 下巷圍巖支護參數Table 1 12062 roadway surrounding rock support parameters

但在實際回采過程中，巷道受采動影響，12062 下巷圍巖變形量較大。對12062 下巷圍巖變形特征情況進行現場觀測，發現圍巖變形呈現以下特點：12062 下巷掘進期間圍巖集中應力現場明顯且持續時間長，巷道掘進并支護完成后頂底板、巷幫均有較大變形，其中巷幫變形量超過頂底板變形量的2 倍以上；巷道底鼓問題也較為突出，靠近煤柱位置底鼓量更大，給巷道正常使用帶來影響；12062 工作面回采期間，12062 下巷受采動影響顯著，巷道圍巖變形量較大，監測得到巷道頂板、底板、兩幫最大位移量分別為562、480、965 mm，巷道頂板出現不同程度離層。

因此，為確保12602 工作面順利回采以及12062 下巷圍巖穩定，需要針對12062 下巷圍巖特點及變形特征進行巷道支護優化。

2 小煤柱孤島工作面回采巷道支護優化

2.1 回采巷道圍巖裂隙發育情況

隨著12062 孤島工作面回采的推進，護巷小煤柱內部裂隙發育，12062 下巷在應力集中作用下圍巖容易出現裂隙發育、頂板離層以及錯動等情況。為此，實現小煤柱孤島工作面回采巷道圍巖控制的關鍵在于確保巷道頂板、巷幫穩定（由于巷道使用時間段，底板可允許一定變形，后續通過修整即可滿足使用需要）；在強化回采巷道圍巖支護整體支護的同時，強化煤柱承載能力，避免煤柱變形量過大引起頂板離層情況。

在12062 下巷使用KMT 礦用鉆孔成像儀窺視巷道圍巖裂隙擴展情況。窺視發現巷道頂板上方1.5 m 范圍內巖體裂隙發育；采空區幫及回采巷1.65 m、1.35 m 范圍內裂隙發育。由于鉆孔窺視尚未受到12062 工作面采動影響，12062 下巷支護用的錨桿均有效，但是當巷道處于12062 工作面采動采動影響范圍內時，圍巖裂隙進一步擴展，會導致巷道原有錨桿支護失效。

2.2 回采巷道補強加固方案

根據上述12062 下巷圍巖變形特征研究以及現場地質條件，并結合以往巷道支護經驗，決定采用以下補強加固方案。

2.2.1 錨索補強加固

在12062 下巷頂板巷中位置增加布置1 根錨索，與原有的頂錨索形成“一二一”，補強用的錨索規格為φ17.8 mm×5 000 mm 的預應力錨索，錨索排距為2 400 mm；為控制小煤柱變形，在煤柱幫補打2 根規格為φ17.8 mm×3 500 mm 的預應力錨索，錨索布置間距、排距均為1 600 mm。12062下巷頂板及煤柱幫補強錨索布置如圖2 所示。

圖2 12062 下巷補強錨索布置示意Fig.2 Arrangement of reinforcing anchor cable in 12062 lower roadway

2.2.2 架棚超前支護

在12062 下巷超前12062 采面80 m 范圍內，使用單體柱+π 型梁按照“一梁三柱”方式進行超前支護。由于12062 下巷底板為承載能力及強度較低的粉砂質泥巖，為減少甚至避免單體柱穿底，在單體柱上均穿鐵鞋。超前支護用的棚梁按照800 mm 間距布置，由于靠近采空區煤柱側頂板及底板變形量較大，在靠近采空區布置2 排單體柱，在靠近采面幫布置1 根單體柱。12062 下巷超前支護布置如圖3 所示。

圖3 12062 下巷超前支護布置示意Fig.3 12062 lower roadway advance support layout schematic

3 巷道支護效果

為驗證小煤柱孤島工作面回采巷道圍巖支護效果，在12062 下巷超前支護開始位置（即與采面相距80 m 處）布置測點，對巷道頂底板、巷幫位移量進行持續監測，具體監測結果如圖4 所示。

圖4 圍巖變形量監測曲線Fig.4 Surrounding rock deformation monitoring curve

從圍巖變形監測曲線可以看出，隨著測點與采面間距不斷縮小，巷道頂底板、巷幫位移量呈不斷增加趨勢。當測點與采面間距在50 m 以內時，巷道受采動影響較為明顯，巷道圍巖變形量增加較快；當采面推進至測點位置時，監測得到頂底板、巷幫最大位移量分別為378 mm、460 mm，頂底板及巷幫圍巖變形量較原支護方案時（頂底板1 042 mm、965 mm）分別降低約63.7%、52.3%，優化支護后的12062 下巷圍巖變形量可滿足采面安全回采的要求。

4 結 論

（1）12062 綜采工作面為孤島工作面，12062下巷與鄰近的12041 采空區間僅留設6 m 保護煤柱，12062 下巷在鄰近采空區側向應力以及本采面采動壓力等疊加影響下出現圍巖嚴重變形問題，圍巖變形呈現明顯的非對稱特征，其中靠近煤柱側頂底板變形量大、巷幫變形嚴重。

（2）根據12062 下巷圍巖變形特征以及現場地質條件，并結合以往巷道支護經驗，提出通過錨索補強方式增加頂板及煤柱承載能力，在巷道頂板中部按照2 400 mm 排距增加1 排規格為φ17.8 mm×5 000 mm 的預應力錨索，在煤柱幫按照1 600 mm×1 600 mm 間排距增加2 根φ17.8 mm×3 500 mm 的預應力錨索，充分發揮錨索懸吊效果，降低巷道變形量；在超前采面80 m 范圍內通過“單體柱+π 型梁”，按照“一梁三柱”方式進行超前支護。現場應用后，12062 下巷圍巖變形量嚴重問題得以較好解決，說明設計的支護優化方案是可行的，為12062 孤島工作面安全高效回采創造良好條件。