孤島工作面沿空掘巷控制技術

摘要：針對潘二礦18227孤島工作面進行支護設計，分析其巷道維護的特點和難點。總結了留小煤柱沿空掘巷確定煤柱寬度的原則：能夠實施安設錨桿的原則，相對有利的應力環境的原則，保證錨桿具有良好錨固性能的原則，預留巷道圍巖變形的原則，有利于小煤柱自身穩定的原則，采出率高的原則；分析了不同掘巷位置的優缺點，最終確定開巷位置和煤柱寬度，并針對其巷道維護特點進行支護參數設計，取得了良好的效果。

關鍵詞：孤島工作面 沿空掘巷 組合支護 高預應力 桁架錨索

1 概述

潘二礦18227工作面位于井田西四采區，走向長1512m，傾斜長180m。工作面東起井田西四采區上山，西以F252斷層煤柱為界。7-1煤層老頂上賦存有含水的砂巖，特別是本工作面局部位于天窗區下方，頂板砂巖富水性強，可能會順裂隙帶導入頂板巖層或巷道。

該工作面為孤島工作面，工作面上、下相鄰階段均為采空區：上鄰階段為2010年3月收作的18127工作面，下鄰階段為2011年2月收作的18327工作面。另外，該工作面頂板上覆2009年3月收作的8煤層18228工作面采空區。7煤層與8煤層間距15m左右，最近距離僅10m。

本工作面與上分階段7煤層18127采空區煤柱寬度9.5m，18127采空區內的積水可能會滲透到煤柱中。

2 施工巷道特點

2.1 孤島面上、下順槽經受雙重支承壓力的作用與破壞

孤島面上、下順槽均沿采空區邊緣掘進。巷道所處位置處的煤體在掘進前已受到相鄰階段采空區邊緣固定側向支承壓力的作用，煤體已經發生破壞或較大變形。巷道掘進后，采場邊緣側向固定支承壓力重新分布，巷道兩側煤體中產生新的應力集中與分布。而在本工作面回采時，在原來支承壓力的作用下，兩巷及其巷幫煤體都將受到新的工作面超前支承壓力的作用與影響，巷道的變形和破壞將會更加嚴重。由于是兩側沿空，任何一側巷道的嚴重變形或破壞將危及工作面的生產、通風與安全。相比于單側沿空掘巷的工作面，孤島面沿空巷道支護的穩定性及安全性要求更高。

2.2 相鄰工作面及上覆8槽采動支承壓力影響

18227上順槽將受到的采動支承壓力影響有：在距巷道拔門處18m左右處，巷道將受到上階段18127工作面收作線固定支承壓力的影響；在距巷道拔門處340m至400m處將受到上覆8煤層遣留未采區支承壓力的影響，并且其前后影響范圍大于60m；在距巷道拔門處870m處將受到上覆8煤層18128工作面開切眼固定支承壓力的影響；在距巷道拔門處1050m處將受到上階段7煤層18127工作面開切眼固定支承壓力的影響。

3 小煤柱沿空掘巷的控制

3.1 確定合理煤柱寬度原則

①能夠實施安設錨桿的原則。小煤柱采用錨桿支護時，煤柱的寬度至少應大于錨桿的長度，使錨桿能錨固在煤柱中。現有條件下，錨桿的長度多在2.0m左右，考慮到保留一定的寬度富裕系數，故要求小煤柱的寬度應不小于5.0m。

②保證錨桿具有良好錨固性能的原則。如果煤柱均為破碎區，其承載能力和穩定性較差，而且錨桿在破碎煤體中的錨固力很小，錨桿支護作用降低，巷道維護困難，因此，應將錨桿錨固工作面回采產生的破碎區外的穩定煤體中。

③預留巷道圍巖變形的原則。沿空掘巷合理的小煤柱寬度不但要能保證巷道圍巖的穩定性，而且在現有的支護條件下，圍巖的變形量應能滿足生產過程中對斷面的使用要求。

3.2 沿空煤柱留設

工作面回采過程中，煤體由彈性狀態變為塑性狀態，產生較大變形，隨著采動的影響及時間延長，上覆巖層斷裂，并逐漸反轉下沉，當上覆巖層與鄰近采空區矸石接觸并壓實后，煤體變形基本穩定，上覆巖層結構業已基本形成，在煤體上方應力分布與底板應力分布組成了“壓力拱”模型。壓力拱前后拱腳壓力大小并不是相等的，而是一個不對稱“壓力拱”。按應力值的相對大小可以分為三個區，即應力增高區、應力降低區和原巖應力區。

在應力降低區中沿空掘巷分為無煤柱掘巷和小煤柱掘巷兩種。無煤柱掘巷雖然能充分開采煤炭資源，但存在巷道通風、上區段采場采空區殘煤自燃、老塘積水等不利因素。因此，最佳煤柱尺寸應是在煤柱煤體不出現宏觀裂隙、不會向采空區漏風、誘發自燃、有一定的承載能力的、能滿足巷道維護要求的最小的煤柱尺寸。煤柱的留設主要取決于自身的可加固性和承載能力。

通過以上分析初步確定小煤柱寬度為6~10m，在此范圍內進一步分析則較復雜，必須綜合考慮煤體硬度、采空側頂板的破碎程度和懸頂狀況、對煤柱整體性的要求、變形的特征、對巷道變形量的控制程度等因素進一步分析。為了保證其自身穩定，而且巷道圍巖變形量較小，有利于巷道穩定，工作面軌道巷的煤柱寬度初步定為9.0m。

4 支護設計

4.1 巷道布置層位與巷道斷面

巷道跟煤層頂板掘進。18227工作面順槽設計斷面形狀為矩形，巷道寬5m，高3m，斷面積15m2。

4.2 頂板支護

巷道頂板采用兩種支護單元進行支護：第1支護單元由錨桿和W鋼帶組成，鋼帶長度4.9m。鋼帶沿巷道頂板橫向布置，每根鋼帶上安裝6根錨桿，間、排距分別為800~900mm和800mm。除肩窩位置兩根錨桿按與鉛垂面15°角錨入外，其余錨桿均穿過鋼帶孔垂直頂板錨入。頂板支護W型鋼帶規格：4900×280×5mm，錨桿采用Φ22×2500mm左旋螺紋鋼等強錨桿，錨桿墊板采用面積不小于200×200mm、厚度不小于16mm的矩形鋼墊板。采用網孔不大于40mm的8#金屬網背護，金屬網緊貼頂板鋪設，縱向搭接，搭接長度100~150mm。搭接處用14#鐵絲扎結，且用W鋼帶壓茬。錨桿孔徑30mm，孔深2400mm，每孔內安裝2支Z2355樹脂藥卷。

第2支護單元由2000mm長18號槽鋼梁和錨索組合而成。組合錨索沿巷道縱向布置，共布置3排。靠近巷幫的組合錨索距巷幫1300mm，間、排距分別為1200mm、800mm。鋼絞線穿過槽鋼梁上的錨索孔垂直錨入頂板，并壓在頂板W型鋼帶的下面。頂板支護錨索規格：Φ22×8500mm，錨索托板規格：200×140×20mm。錨索孔徑30mm，孔深8200mm，每個孔內安裝4支Z2355樹脂藥卷。

4.3 巷幫支護

沿空側巷幫采用錨桿+W型鋼帶和組合錨索進行支護。鋼帶沿巷道豎向布置，每根鋼帶布置4根錨桿。巷幫上、下部錨桿分別按與水平面成15°仰、俯角錨入巷幫頂底板，另外2根錨桿穿過鋼帶上的安裝孔垂直巷幫煤體安裝。巷幫鋼帶規格：2700×280×5mm，錨桿采用Φ20×3000mm左旋螺紋鋼等強錨桿，錨桿墊板采用與頂板錨桿支護相同的墊板。采用網孔直徑不大于40mm的8#金屬網緊貼頂板鋪設，豎向鋪設，橫向搭接，搭接長度100mm。搭接處用14#鐵絲扎結，且用W鋼帶壓茬。錨桿孔徑30mm，孔深2900mm，每孔內安裝2支Z2355樹脂藥卷。

另在沿空側巷幫距底板800mm、1600mm高處沿走向各布置一排巷幫組合錨索。每副巷幫組合錨索由W鋼帶與4根錨索構成；其鋼帶與巷幫錨桿支護用鋼帶相同；組合錨索壓在錨桿支架的外面，并相互壓茬。巷幫錨索規格：Φ18×5100mm，錨索墊板規格：200×200×20mm。錨索孔徑30mm，孔深4800mm，每孔內安裝3支Z2355樹脂藥卷。錨索孔按5°仰角鉆進布置。

工作面側巷幫采用錨桿+W型鋼帶支護。鋼帶沿巷道豎向布置，每根鋼帶上布置4根錨桿。全部錨桿穿過鋼帶上的安裝孔垂直巷幫煤體安裝。巷幫支護用鋼帶、錨桿及其墊板、金屬網等其它均與沿空側巷幫支護相同。

5 結論

巷道施工后，根據現場觀測，兩幫移近量平均為300mm，最大為500mm。巷道頂板有一定下沉量，底板出現了一定的底鼓，通過連續幾個月的礦壓觀察，巷道基本上穩定，頂板仍然保持完整、穩定、支護狀態好，滿足回采需要。

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作者簡介：何紅濤（1983－），男，河南汝州人，助理工程師，淮南礦業集團潘二煤礦，學士，從事煤巷掘進方面的研究。