長平礦軟煤層條件下小煤柱支護技術研究

李亞鵬，楊竹軍，陳雪嘯，程書暢

(山西長平煤業有限責任公司， 山西 高平 048400)

晉城礦區復雜地質條件下軟煤層的巷道變形控制一直是個難點[1-2]，對其相關研究主要集中在優化巷道一次錨網索支護強度以確保圍巖整體承載力，根據采動應力影響范圍加大巷間煤柱以減少巷道受采動影響強度[3-4]，或者降低煤柱寬度至30 m左右開展圍巖控制研究[5-7]，近年來引進切頂卸壓技術以降低頂板承載力，保證圍巖穩定。上述研究從不同程度上促進了復雜地質條件下軟煤層的圍巖控制理論及實踐技術的發展，但對于晉城礦區3#煤條件下的小煤柱(10 m以下)試驗以及小煤柱條件下的圍巖控制研究極少。分析6 m小煤柱下巷道受采動影響不同階段的圍巖受力情況，采用綜合支護技術，以實現小煤柱條件下的圍巖穩定控制。

1 工程概況

晉煤集團長平公司主要回采3#煤，平均厚度為5.5 m，煤質松軟、埋深大(500～720 m),煤體強度低(f=0.3)，地質構造發育，頂板為泥巖、砂巖復合巖層。工作面采用一次采全高后退式采煤工藝，三巷布置，巷間煤柱留設尺寸大，通常在40～60 m. 回采巷道沿煤層頂板掘進，巷道斷面為5.0 m×3.3 m. 工作面回采期間及回采后，留巷圍巖控制有下列問題：1) 圍巖變形大，以兩幫收縮為主(可達1.5 m)，底鼓顯著，巷道斷面最大收縮率達62%，復修工作量大。2) 采動影響下工作面后方圍巖破壞加劇，圍巖控制效果差。3) 煤柱尺寸大，煤炭損失量大。

2 小煤柱穩定性分析

1) 理論分析。

一側采空區煤柱(體)的彈塑性變形區及豎向應力σy的分布見圖1.σy隨著與采空區邊緣之間距離x的增大，按負指數曲線關系衰減。在高應力作用下，從煤體(煤柱)邊緣到深部，都會出現塑性區(靠采空區側應力低于原巖應力的部分稱為破裂區)、彈性區、原巖應力區[8].

1—彈性應力分布 2—塑性應力分布 Ⅰ—破裂區Ⅱ—塑性區 Ⅲ—彈性區應力升高部分 Ⅳ—原始應力區圖1 煤柱(體)的彈塑性變形區及鉛直應力分布圖

煤柱(體)的承載能力，隨著遠離煤體邊緣而明顯增長。在距煤體(煤柱)邊緣一定寬度內，存在著煤柱(體)的承載能力與支承壓力處于極限平衡狀態[2]，運用巖體的極限平衡理論，塑性區的寬度，即支承壓力峰值與煤體(煤柱)邊緣之間的距離x0為：

集合現場實際計算可得，x0的變化范圍為3～20 m，一般為5～12 m.應力降低區寬度的變化范圍為2～7 m，故6 m寬煤柱處在應力降低區內。

2) 數值模擬分析。

采用FLAC3D軟件，以庫倫-摩爾準則為迭代依據，以實測礦井圍巖強度參數為參考，建立大采高工作面巷道掘進、工作面回采開挖數值模型(長300 m×寬20 m×高160 m)，埋深取550 m，側壓系數采用1.2，并設計采面保護煤柱6 m，對工作面進行開挖計算。掘進后的垂直應力云圖見圖2.由圖2可見，應力場分布狀態較好，有利于巷道圍巖的穩定。工作面開采完成后的圍巖位移云圖見圖3. 由圖3可見，本工作面順槽巷道斷面收縮近50%的情況下，6 m煤柱側的巷道形狀保持較好。

圖2 兩巷支護垂直應力云圖

圖3 工作面推進后巷道圍巖位移云圖

3 小煤柱及圍巖支護技術

1) 淺掘。

依據圍巖自穩能力較差，完整性易破壞等特征，采用淺掘深、輕擾動圍巖的掘進方式[3].要求掘進機減少一次進深，提高截割頭轉數，降低截割頭移動速度，在截割成巷的同時，保證不破壞圍巖的整體性，以割煤后截割痕跡為判斷標準。

掘進截割深度不超過800 mm，在圍巖較為完整的區段，可根據情況實行1.0 m進深。巷道斷面(5.0 m×3.3 m)沿煤頂板掘進。

2) 強化基礎支護。

a) 頂板、巷幫支護。

頂板及兩幫采用全長錨固錨桿、錨索，巷幫錨桿間排距為1.0 m×0.8 m，一排3根，在巷幫排擋間頂板往下1.0 m施工1根4.3 m錨索；頂板錨桿間排距為1.0 m×0.8 m，每排5根，頂板采用6.3 m錨索，布置方式2-2；及時對圍巖進行噴漿全封閉。

b) 巷道底板加固。

清理巷道底板，將離層巖塊、碎矸清理干凈，在底板施工1.5 m的注漿錨桿，間排距1.0 m×1.0 m，打設角度垂直底板，并以鋼筋網護底。支護結束后，采用C20混凝土進行鋪底，與鋼筋網形成鋼筋混凝土澆筑底板，厚度200 mm.采用早強水泥，實現1 h凝結，8 h達到中期強度，24 h達到最終強度的80%.

3) 小煤柱加強支護。

護巷煤柱在正常巷道煤幫基礎上，將一排錨桿改為錨索，錨桿長2.4 m，錨索長4.3 m，排距1 m. 采用現有錨桿(索)，并實行全長黏結式錨固形式。煤柱兩側面鋼筋混凝土噴層厚度不小于50 mm，且與實體煤幫、鋼筋網、頂底板噴層緊密凝結。

4) 小煤柱注漿加固。

小煤柱一次注漿在順槽巷道內進行，超前30～50 m；二次注漿在留巷內進行，滯后工作面50～100 m.

注漿孔采用2排布置：下排鉆孔開孔高度距離巷道底板1.2 m，上排鉆孔距離巷道底板2.2 m，鉆孔d42 mm. 上排孔鉆孔方向與巷道軸線方向一致，向上仰角30°，下排孔水平布置，向切眼方向成20°水平角；鉆孔長度均為4.5 m，孔距6 m. 開孔位置布置平面圖見圖4. 鉆孔布置剖面圖見圖5.

圖4 鉆孔開孔位置布置平面圖

圖5 鉆孔布置剖面圖

注漿采用聯邦注漿加固材料(雙液)，該材料適用于破碎松軟煤體，一次平均單孔注漿量約0.5 t；二次注漿由于采動作用下圍巖進一步破碎、裂隙加劇擴展，平均單孔注漿量約為1.2 t. 注漿壓力穩定在6～8 MPa，當漏漿厲害時，可根據情況適當降低壓力。

5) 超前支護及切頂。

a) 超前工作面30 m范圍，架設一梁三柱，液壓支護+π型梁，間距1.0 m，距離煤柱幫間距300 mm布置一排，并加密支護，形成間距500 mm的液壓單體柱密集支護。

b) 在護巷煤柱空區側，沿煤柱邊緣打設切頂鉆孔，鉆孔深度15 m，間距0.5 m，隨著工作面推進布置切頂鉆孔。

c) 超前支護保留至工作面采過100～150 m，采空區頂板活動穩定后，撤除加強支護。

4 礦壓觀測結果

具有代表性的不同區域測點巷幫及頂底板位移觀測結果見圖6，7. 圖6中3條曲線為具有代表性的3個不同區域測點兩幫收縮量，可見巷幫最大移近量為430 mm. 圖7中2條曲線為具有代表性的2個不同區域測點的頂底板收縮量，最大為460 mm，巷道圍巖控制較好。

圖6 兩幫變形觀測圖

圖7 頂底板移近量觀測圖

5 結 論

通過復雜地質條件下軟煤層6 m小煤柱試驗及巷道受力不同階段采用的綜合圍巖支護技術得到：

1) 采用淺掘進，全長錨固錨桿錨索，可強化松軟煤層條件下的圍巖基礎支護強度；對小煤柱進行錨索、錨桿間排交替支護以及超前工作面30～50 m預注漿，回采過后50～100 m滯后注漿,可阻止6 m小煤柱的垮落失穩。

2) 采用超前、滯后單體液壓支柱+π型梁架棚，并對煤柱側進行切頂釋放頂板壓力，可實現6 m小煤柱護巷情況下的留巷頂板穩定。