小煤柱支護(hù)工藝技術(shù)應(yīng)用分析

李恒周

（山西潞安礦業(yè)集團(tuán)慈林山煤業(yè)有限公司 夏店煤礦，山西 長(zhǎng)治 046299）

1 概述

為了能夠進(jìn)一步的提升煤礦資源回采率，一些煤礦在選擇護(hù)巷方式的過(guò)程中，逐漸淘汰了寬煤柱的方式，并針對(duì)小煤柱護(hù)巷技術(shù)開(kāi)展深入的研究工作，煤柱護(hù)巷技術(shù)正不斷向著無(wú)煤柱護(hù)巷技術(shù)方向發(fā)展，對(duì)于優(yōu)化井下開(kāi)采中巷道維護(hù)條件，進(jìn)一步降低巷道掘進(jìn)率以及增加工作面回采率等方面意義重大。沿空掘巷便是沿已采工作面采空區(qū)域邊緣位置開(kāi)展巷道掘進(jìn)工作，這樣巷道承受的載荷作用相對(duì)小，而且在維護(hù)過(guò)程中也更為便捷。現(xiàn)階段，小煤柱沿空護(hù)巷技術(shù)應(yīng)用成為提高煤炭資源回采率有效途徑。

2 區(qū)域地質(zhì)條件

夏店煤礦開(kāi)采區(qū)域地形為丘陵地形，在低洼區(qū)域分布有水田以及池塘等，區(qū)域內(nèi)標(biāo)高平均值為+240 m，目前主要開(kāi)采煤層為Ⅰ號(hào)煤層，該煤層的厚度值在2.7～3.3 m之間，煤層的結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜，呈現(xiàn)條帶狀分布，煤層具有爆炸危險(xiǎn)，經(jīng)鑒定煤層的自然發(fā)火等級(jí)屬于Ⅰ級(jí)。煤層的偽頂板結(jié)構(gòu)是含炭質(zhì)泥巖結(jié)構(gòu)，呈現(xiàn)灰褐色，斷口位置較為粗糙。3Ⅰ01工作面的進(jìn)風(fēng)巷道應(yīng)用保護(hù)小煤柱掘進(jìn)施工，因?yàn)槠渚o鄰1201工作面采空區(qū)域，導(dǎo)致了回風(fēng)巷道圍巖結(jié)構(gòu)存在一定的再生性，較易發(fā)生破碎。3Ⅰ01工作面巷道布置見(jiàn)圖1。

圖1 3I01工作面巷道布置

煤層直接頂結(jié)構(gòu)屬于泥巖結(jié)構(gòu)，在遇到水的情況下會(huì)發(fā)生較大膨脹，頂板局部結(jié)構(gòu)屬于含砂泥巖結(jié)構(gòu)。老頂結(jié)構(gòu)為細(xì)砂巖結(jié)構(gòu)。直接底結(jié)構(gòu)屬于泥巖結(jié)構(gòu)，底板的硬度相對(duì)較小，而且遇到水的情況下極易變軟。老底為灰白色泥巖結(jié)構(gòu)，相對(duì)較為堅(jiān)硬。

3 巷道頂板及幫巖巖層狀況分析

采用型號(hào)為YTJ20的巖層探測(cè)設(shè)備，進(jìn)行巖層層狀探測(cè)，鉆孔設(shè)備采用錨桿鉆機(jī)，鉆機(jī)鉆頭的直徑為Φ28 mm，完成鉆孔作業(yè)之后，利用風(fēng)管將孔內(nèi)的巖粉全部清理，再開(kāi)展探測(cè)工作。經(jīng)過(guò)探測(cè)得出以下結(jié)論：

（1）進(jìn)風(fēng)巷道的保護(hù)小煤柱區(qū)域頂板結(jié)構(gòu)在1～2 m深位置存在較少的裂隙，在3～4 m位置處存在相對(duì)大的裂隙，在5m以上區(qū)域中存在的裂隙相對(duì)較小，相對(duì)來(lái)說(shuō)較為完整，所以，開(kāi)展頂板支護(hù)作業(yè)過(guò)程中，應(yīng)當(dāng)首先采用錨桿把圍巖結(jié)構(gòu)加固處理，而且還應(yīng)當(dāng)使用較長(zhǎng)的錨索加以懸吊，確保把淺部加固之后圍巖結(jié)構(gòu)能夠懸吊于上部較為穩(wěn)定巖層之內(nèi)。因?yàn)樵谥胁繀^(qū)域內(nèi)3～4 m存在較多的裂隙，而在5 m之上區(qū)域圍巖性對(duì)穩(wěn)定，另外，由于巷道的直接頂結(jié)構(gòu)厚度值是5.5 m，要想確保利用老頂結(jié)構(gòu)來(lái)穩(wěn)定直接頂，則要求錨索的長(zhǎng)度應(yīng)當(dāng)為7 m左右。

（2）在巷道煤幫部位1 m深位置存在裂隙，而在1～2.5 m位置處有裂隙帶存在，2.5～5 m位置處同樣有較少裂隙，但是，相對(duì)來(lái)說(shuō)煤柱整體上不存在較大劈裂區(qū)域，這也從側(cè)面反映出了在該工作面中設(shè)置5 m保護(hù)小煤柱方案可行。由于在1～2.5 m深度存在裂隙帶，則要求錨桿長(zhǎng)度值應(yīng)當(dāng)在2.5 m左右，如此才能夠把這一位置處的煤巖通過(guò)錨固劑加以錨固處理。

4 錨桿錨索支護(hù)方案

1）頂板結(jié)構(gòu)位置處的錨桿借助于懸吊而發(fā)揮作用，幫部位置錨桿對(duì)幫部煤體進(jìn)行加固而發(fā)揮作用，其中錨桿的長(zhǎng)度值應(yīng)符合以下要求：

式中：L為錨桿總長(zhǎng)度值，mm；K為安全系數(shù)，通常取值為2；b為冒落拱高度值，mm；L1為錨桿深入至穩(wěn)定層中長(zhǎng)度值，mm；L2為錨桿的外露長(zhǎng)度值，通常外露長(zhǎng)度設(shè)置為50mm。

式中：B1為巷道開(kāi)掘的深度值，此處為4000 mm；f為巖體堅(jiān)固系數(shù)值，此處為2。

通過(guò)計(jì)算得出L=2×1000+400+50=2450 mm。因此，在對(duì)圍巖結(jié)構(gòu)進(jìn)行支護(hù)過(guò)程中，所采用錨桿長(zhǎng)度應(yīng)當(dāng)選擇2500 mm。同時(shí)結(jié)合上述對(duì)于巖層的層狀分析結(jié)果，錨桿長(zhǎng)度為2500 mm情況下，可以滿足要求。

2）錨索長(zhǎng)度。在進(jìn)行錨索的長(zhǎng)度確定過(guò)程中，應(yīng)當(dāng)主要考慮錨索的懸吊作用，其長(zhǎng)度值應(yīng)滿足：

式中：L為錨索的長(zhǎng)度值，m；La為錨索深入穩(wěn)定圍巖結(jié)構(gòu)長(zhǎng)度值，通常根據(jù)經(jīng)驗(yàn)取1～2 m；Lb為要求進(jìn)行懸吊作業(yè)的不穩(wěn)定圍巖厚度值，在此取直接頂結(jié)構(gòu)厚度為5 m；Lc為上托盤(pán)結(jié)構(gòu)以及錨具結(jié)構(gòu)厚度值，通常是0.1 m；Ld為外露錨索的張拉長(zhǎng)度值，m。

將相關(guān)數(shù)據(jù)帶入可以求得：L=6.8m。同時(shí)，依照巷道巖狀分析結(jié)果，在接近采空區(qū)域位置處的頂板結(jié)構(gòu)存在一段裂隙帶區(qū)域，該裂隙帶所在深度為4～6m之間。因此，所設(shè)置的錨索深度應(yīng)當(dāng)為7m。

3）預(yù)緊力計(jì)算。頂板結(jié)構(gòu)內(nèi)的錨桿預(yù)緊力應(yīng)滿足以下條件：

式中：Qr為垂直載荷，kN；n1為頂板結(jié)構(gòu)單排錨桿數(shù)量。

煤幫結(jié)構(gòu)內(nèi)的錨桿預(yù)緊力應(yīng)滿足以下條件：

式中：Qs為水平載荷，kN；n2為幫煤結(jié)構(gòu)單排錨桿數(shù)量。

而在以往的實(shí)際操作之中發(fā)現(xiàn)，在錨桿的預(yù)緊力達(dá)到了50 kN時(shí)，對(duì)于控制巷道的變形會(huì)起到很好作用，所以，在此把錨桿預(yù)緊力設(shè)置為50 kN。

4）錨索間排距計(jì)算。由于此次支護(hù)采用保護(hù)小煤柱支護(hù)的方式，頂板結(jié)構(gòu)便由錨索而懸吊在穩(wěn)定為巖層之中。依照相關(guān)理論，在頂板位置處的錨索錨固力大小應(yīng)當(dāng)較不穩(wěn)定巖體自重更大。便可以得出下式：

式中：L為錨索的排距值，m；F2為錨索的極限承載力，kN；B1為巷道的寬度值，m；H為巷道的裂隙范圍高度值，m；γ為巖體的體積力，此處為25 kN/m3；F1為錨桿的錨固力大小，kN；L1為錨桿的排距值，0.8；θ為錨桿和巷道之間夾角值，此處為45°；n為錨索的排數(shù)值，此處為1。

采用的錨索為鋼絞線錨索，錨索的直徑為Φ15.24 mm，其承載力大小為230 kN。由于巷道的寬度值為4 m，B1取值為4 m。從巷道的巖狀分析可知H的值為4.5 m，則能夠計(jì)算得到L應(yīng)當(dāng)小于等于1.26 m。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況，錨索打三花狀，首排設(shè)置有兩個(gè)錨索，在0.9 m之后的另一排中間位置設(shè)置一個(gè)錨索，這樣不斷循環(huán)。具體支護(hù)見(jiàn)圖2。

圖2 3Ⅰ01進(jìn)風(fēng)巷道支護(hù)

5 3Ⅰ01進(jìn)風(fēng)巷道圍巖變形情況分析

在支護(hù)方案改進(jìn)之后，為了能夠進(jìn)一步的分析錨桿以及錨索聯(lián)合支護(hù)具體效果，針對(duì)3Ⅰ01進(jìn)風(fēng)巷道開(kāi)展了長(zhǎng)達(dá)60 d的監(jiān)測(cè)工作，通過(guò)對(duì)監(jiān)測(cè)結(jié)果的分析，能夠?yàn)殄^桿與錨索聯(lián)合支護(hù)模式以及相關(guān)參數(shù)計(jì)算提供參考，同時(shí)也為同類(lèi)煤礦開(kāi)采中應(yīng)用小煤柱支護(hù)技術(shù)提供了可靠的依據(jù)。

在具體監(jiān)測(cè)過(guò)程中，是針對(duì)兩幫位置以及頂?shù)装逦恢眠w移量的收斂性加以監(jiān)測(cè)，在巷道支護(hù)方案優(yōu)化前以及方案支護(hù)方案優(yōu)化后分別選取1號(hào)位置與2號(hào)位置進(jìn)行監(jiān)測(cè)，所利用的監(jiān)測(cè)方法為“十”字監(jiān)測(cè)方法，分別在兩幫位置以及頂?shù)装逦恢锰幵O(shè)置錨桿釘，加以測(cè)量與計(jì)算，從而獲得兩幫位置以及頂?shù)装逦恢眠w移速率。

圖3為3I01進(jìn)風(fēng)巷的兩幫收斂速率，從圖中能夠看出在巷道不斷的掘進(jìn)作業(yè)時(shí)，處在普通支護(hù)區(qū)域之中巷道兩幫收斂速率相對(duì)大很多，而其中最大變形速率為18.2 mm/d，而在支護(hù)方案改進(jìn)后的支護(hù)區(qū)域之中，兩幫最大收斂速率僅為6.6 mm/d。能夠?qū)⒕蜻M(jìn)作業(yè)對(duì)于巷道的影響劃分成三個(gè)不同時(shí)期，分比為劇烈影響時(shí)期、平衡時(shí)期以及穩(wěn)定時(shí)期。在10 d之內(nèi)圍巖存在較為劇烈的運(yùn)動(dòng)，而在時(shí)間不斷推移的過(guò)程中，在30 d之后圍巖的運(yùn)動(dòng)逐漸趨于平穩(wěn)，在大約60 d左右基本上處于較為穩(wěn)定的狀態(tài)。

圖4為3I01進(jìn)風(fēng)巷的頂?shù)装迨諗克俾剩瑥膱D中能夠看出在巷道不斷的掘進(jìn)作業(yè)時(shí)，處在普通支護(hù)區(qū)域之中巷道頂?shù)装迨諗克俾氏鄬?duì)大很多，而其中最大變形速率為6.7 mm/d，而在支護(hù)方案改進(jìn)后的支護(hù)區(qū)域之中，兩幫最大收斂速率僅為3.2 mm/d。巷道掘進(jìn)作業(yè)初始階段，大約在20 d左右圍巖存在較為劇烈的運(yùn)動(dòng)，而隨后圍巖的運(yùn)動(dòng)逐漸趨于平穩(wěn)，在大約60 d左右基本上處于較為穩(wěn)定的狀態(tài)。

圖3 3I01進(jìn)風(fēng)巷掘進(jìn)期間兩幫收斂速度

圖4 3I01進(jìn)風(fēng)巷掘進(jìn)期間頂?shù)装迨諗克俣?/p>

6 結(jié)語(yǔ)

由于不同煤礦的自身開(kāi)采條件有限，因?yàn)槊禾啃再|(zhì)存在差異，而且巷道頂板結(jié)構(gòu)的處理工藝存在差，使得留煤柱的形式也存在較大差異。只有確保巷道支護(hù)參數(shù)更為合理，才能最大限度的避免出現(xiàn)資源浪費(fèi)問(wèn)題，減少巷道維護(hù)成本投入，并且可以確保煤礦開(kāi)采工作的安全性。