小煤柱回采巷道圍巖控制措施研究

范夢夢

（西山煤電股份有限公司馬蘭礦，山西 古交 030205）

1 工作面概述

西山煤電集團股份有限公司馬蘭礦12703工作面位于井田南七采區右翼，工作面所采煤層為二疊系下統山西組2#煤層，屬近水平穩定可采厚煤層。煤層結構簡單，煤層普氏硬度2.0～2.5。

12703工作面設計走向長度為1058 m，傾向長度為178 m，回采煤層平均厚度為3.0 m，工作面采用綜合機械化后退式回采工藝，全部垮落法處理采空區。12703工作面西側為12702采空區，東側實煤區。為了提高工作面煤柱回收率，12703工作面采用預留小煤柱法進行回采，即工作面回風順槽與12702采空區之間預留小煤柱，小煤柱寬度為20 m。截至目前工作面已回采120 m。

由于12703工作面煤層屬石炭系煤層，工作面采用小煤柱回采期間受鄰近采空區壓力及回采應力影響，在前期回采階段回風順槽側小煤柱出現嚴重片幫現象，隨著工作面不斷推進和采空區垮落，小煤柱受力加大，在工作面回采至80 m處工作面頂板與小煤柱之間三角煤柱出現局部垮落現象，煤柱支撐作用失效，頂板下沉量達0.35 m，且出現鄰近采空區瓦斯涌出現象，局部地段瓦斯濃度達到1.8%。受應力作用，小煤柱安全維護難度加大，降低了煤柱對頂板支撐作用，而且很容易造成工作面與鄰近采空區貫通，從而嚴重威脅綜采工作面安全生產。

2 原支護設計及問題分析

2.1 原支護方式

在工作面形成階段，初步支護設計中對小煤柱采用單錨桿支護，錨桿長度為2.0m，直徑為22mm，煤柱共施工三排護幫，排距為1.0m，間距為1.0m，第一排護幫距頂板間距為0.5m。錨桿與煤柱之間采用長度為0.45m、寬度為0.25m鋼帶進行預緊。

2.2 問題分析

由于預留煤柱寬度為20m，煤柱對頂板支撐作用力小，在應力作用下煤柱發生擠壓變形，在變形區域內形成應力集中區，造成應力集中區內煤體出現嚴重破碎現象，破碎深度達2.5m，而原支護設計錨桿長度為2.0m，錨桿錨固端位于破碎巖體內，錨固效果差，同時煤體破碎時膠結穩定性差，錨桿對煤柱支護作用力在破碎巖體內出現擴散，支護效果差。而且單一的錨桿只能對局部范圍內煤柱起到支護作用，當應力集中時相鄰錨桿之間無法起到聯鎖作用，錨桿與錨桿之間的支護薄弱區很容易出現應力突出，從而造成煤壁片幫現象。

3 小煤柱聯合支護設計

為提高小煤柱支護作用，對小煤柱采用注漿+施工加長錨桿并安裝圓鋼托架+“L”型鋼棚等聯合支護，具體施工方法如下。

3.1 注漿支護

（1）在12703回風順槽原支護作用下，對小煤柱進行注漿支護，漿液主要采用馬麗散與催化劑配合比為1∶1混合液，采用高壓注漿泵進行注射。

（2）煤柱共施工兩排注漿孔，排距為2.0m，間距為3.0m，第一排注漿孔距頂板間距為0.5m，注漿孔深度為4.0m，孔徑為42mm。

（3）注漿孔施工完后對其埋設注漿管并安裝封口器，然后將高壓膠管連接注射槍和注漿泵進行注漿，注漿期間發現煤體有漿液滲出時停止注漿并及時封孔。

3.2 加長錨桿及圓鋼托架施工

（1）為了進一步提高支護體對小煤柱支護作用，煤柱注漿后施工三排加長錨桿，加長錨桿長度為3.5m，直徑為22mm，錨桿排距為1.0m，間距為2.0m，每根錨桿采用兩支型號分別為MSK23/35、MSKC23/80錨固劑錨固。錨桿與煤柱之間采用長度為0.5 m，寬度為0.28m“JW”型鋼帶進行預緊，如圖1所示。

（2）三排加長錨桿施工完后，為了提高相鄰兩根錨桿之間聯鎖保護作用，在相鄰兩根錨桿之間安裝一根圓鋼托架，圓鋼托架長度為2.0m，直徑為40mm。

3.3 架設“L”型鋼棚

（1）為了防止頂板與煤柱之間三角煤柱垮落以及煤壁片幫，待小煤柱加長錨桿施工完后，在12703回風順槽內靠近小煤柱側架設一排“L”型鋼棚，如圖1所示。

圖1 12703工作面小煤柱聯合支護斷面示意圖（mm）

（2）“L”鋼棚主要由頂梁、棚腿及底座組成，頂梁與棚腿之間采用卡纜及支撐架固定連接，鋼棚頂梁長度為1.5 m，棚腿長度為3.5 m（回風順槽高度），鋼棚間距為2.0 m。頂梁與頂板以及棚腿與煤柱之間分別采用錨桿進行固定。棚腿底座采用地錨與堅硬底板進行固定。

（3）“L”型鋼棚架設完后，在棚腿與煤柱之間間隙處填塞水泥背板，水泥背板長度為2.5 m，寬度為0.3 m。

4 應用效果

（1）預留小煤柱回采時受外界作用力影響，煤柱抗壓能力降低，煤柱出現破碎、片幫現象，需對其進行維護，煤柱維護費用高，通過對12703工作面回風順槽側小煤柱加強支護發現，共計需加強維護費用達34萬元，但是采用小煤柱開采時多回收煤炭量達7.8萬t，經濟效益達1700余萬元，與支護費用相比大大提高經濟效益。

（2）采用注漿技術對12703工作面預留小煤柱進行支護后，煤柱破碎現象得到很大改善，阻止了煤體破碎范圍向深部延伸，提高了破碎煤體膠結穩定性，為錨桿支護創造了有利條件。

（3）采用加長錨桿對小煤柱進行支護時，錨桿錨固端位于深部穩定煤體內，提高了錨固質量，采用“JW”型鋼帶將其與煤柱預緊，加強了支護體與煤柱之間耦合支護作用，同時對相鄰錨桿之間安裝圓鋼托架提高了錨桿間聯鎖保護作用，實際應用發現，小煤柱施工加長錨桿及圓鋼托架后，在后期回采過程中未發生煤壁片幫現象。

（4）通過施工“L”型鋼棚不僅進一步阻止了煤柱片幫，而且有效防止了因外力作用頂板與煤柱之間三角煤柱垮落，同時架設“L”型鋼棚后對頂板起到了支撐作用。架設鋼棚后在回采期間三角煤柱未發生局部垮落現象，阻止了鄰近采空區瓦斯涌出，回風順槽瓦斯濃度控制在1.0%以下；同時加強了煤柱對頂板支撐作用，鋼棚架設后頂板未發生嚴重變形現象，局部區域頂板最大下沉量僅為0.08m。