深井沿空巷道小煤柱護巷機理及支護技術

（山西汾西礦業兩渡煤業有限責任公司 山西 031302）

煤礦開采深度增加、能源需求量提高，較多深部礦井于采空區一側回采巷道中，會使用留窄煤柱沿空掘巷方式處理，然而開采深度變化所致沿空巷道維護工作有一定挑戰，這對于工作面建設構成阻滯。針對于此，需要明確沿空巷道煤柱的尺寸、加強煤礦生產管理，并有效運用支護技術處理，從而降低煤柱變形情況的發生，確保深井沿空巷道支護工作的效率、安全。

1.工程概況情況概述

以某煤礦工程為例，其工作面煤層厚度為6.55m、存在3層夾矸，直接頂為容易冒落的泥巖，平均厚度為3.06m；基本頂細砂巖厚度約為1.88m；底板細砂巖厚度在2.24m左右，埋深約為310m。待上一工作面回采完成后通過綜采開采技術處理，區段回風平巷使用沿空留巷小煤柱護巷高強度錨桿支護，順著底板掘進。沿空測小煤柱的寬度、排距、頂錨桿尺寸、錨固長度，以及幫錨桿尺寸、錨固長度分別設置為：4m、850mm、20mm*2200mm、1.5m、20mm*1800mm、1.2m，間隔4m位置于巷道中布設1根錨索，鋼絞線的長度、直徑及樹脂藥卷錨固長度設置為：8.2m、15.25mm、1.4m。組合構件W強力鋼帶尺寸5mm*260mm，頂煤、兩幫應用金屬經緯網達到輔助支護的目的，采空區側小煤柱使用圓鋼錨桿支護，間排距設置為800mm*800mm，巷道掘進、回采的過程，應對巷道圍巖變形加以檢查。通過單體液壓支柱超前支護，頂板、底板移動速度降低，兩幫移動速度增加，然而兩幫整體性能尚可、未見片幫問題。由此表示，經高強錨桿支護可提高深井沿空巷道掘進效率、回采圍巖的穩定性。

2.深井沿空巷道圍巖變形主要規律的分析

沿空巷道，即為煤體—采空區的巷道，作為煤柱護巷的基本形式，在右側工作面開采后基本頂下沉，并且會于采空區邊緣斷裂，這時煤體頂板彎曲且呈一定角度，于采空區傾斜側向支撐壓力煤體內部發生轉移[1]。當頂板彎曲、下沉，以及以支撐壓力轉移，邊緣煤體受到嚴重破壞，這時會形成破碎區，煤體邊緣范圍內可形成應力降低區，這時為沿空掘巷創設了良好條件。巷道煤柱左側掘出后，會于圍巖內形成破碎區，此時煤柱兩側可見破碎區，不但承載力下降，而且左側工作面開采過程會形成超前支撐壓力，發生煤柱壓縮破碎問題的同時，頂板易發生二次斷裂問題，致使巷道壓力加大、變形量增多，而這也是深井工作面沿空掘進巷道工作面，超前支撐壓力作用下維護困難的基本原因。

3.深井沿空巷道小煤柱護巷機理狀況研究

(1)頂板支撐壓力分布規律研究

工作面頂板支撐壓力分布為動態的，會隨著工作面推進而發生改變，頂板約束條件下經四周嵌固—兩側嵌固發生轉變，彎矩會朝著兩側—煤壁產生轉移，以此致使頂板順著兩側煤壁嵌固端發生斷裂，頂板應力會受到煤壁距離的變化影響。因煤壁四周應力＞煤層基線抗壓的強度，所以邊緣煤體容易受到破壞、承載能力下[2]。趨于該種狀態下，遭受頂板自重因素、采動附加應力因素影響，頂板則會于兩側煤體內部斷裂，逐漸形成斷裂口線為主的應力區。斷裂線、煤體邊緣間中斷裂巖梁自重關系到低應力區，斷裂線外側經上覆巖層整體重量關系到高應力區，如圖1。

圖1 頂板支撐

(2)正確梳理煤柱寬度、圍巖變形間的關系

護巷煤柱寬度、圍巖變形率間的關系，能夠客觀評判煤柱是否穩定，經試驗證實巷道圍巖變形、護巷煤柱寬度關系緊密，煤柱寬度增加、圍巖變形率則會隨之變化。

(3)認真計算小煤柱的寬度

結合煤柱寬度、圍巖變形率關系，明確煤柱的寬度后經工作面支撐壓力分布確定最終煤柱寬度。經過對巷道圍巖應力分析能夠明確，四周采空區煤體存在以下幾個區域：應力降低區、升高區，以及原巖應力區[3]。為防止巷道位于應力升高區，建議在塑性區、彈性區交界位置將護巷煤柱設置過小的話，因煤柱內部為破碎區、塑性區，在承載力及穩定情況方面較弱，錨桿處于破碎圍巖范圍，不但錨固力非常小且無法提高煤柱的穩定性、安全性。針對于此，需確保煤柱寬度設置適中，以便降低承載力、確保煤體為完整區域，如此一來利于降低巷道支護體的載荷，提高巷道圍巖的完整性，同時可以有效降低煤炭資源浪費，及其構成的不良影響。

4.深井沿空巷道小煤柱護巷支護技術及支護方案探討

明確深井沿空巷道小煤柱的尺寸前，需要考慮到支護的方式，究其原因和不同支護方式對于煤柱尺寸留設會構成直接影響存在緊密聯系。通過研究發現，錨桿支護能提高錨固體力學的相關參數，主要為錨固體受到破壞前、后參數φ，對巖體摩擦角φ構成的影響，內聚力升高的幅度較小，錨固區域巖體峰值強度、峰后強度提高，錨桿支護技術的應用，促使圍巖經二向/單向應力的方式轉變，形成三向應力狀態可提高圍巖承載方面的能力，為巷道維護工作奠定堅實基礎[4]。錨固體強度中，通過錨固體極限強度、錨固體殘余強度，以及錨桿支護強度、錨固體極限強度時內聚力、錨固體極限強度時內摩擦角、錨固體殘余強度時內聚力、錨固體殘余強度內摩擦角分別通過：σ1（MPa）、σ1*（MPa）、σ3m（MPa）、C（MPa）、φ（°）、C*（MPa）、φ*（°）表示。其中，σ1和σ1*會隨著σ3m、C、φ、C*、φ*而變化，特別需要注意的是σ3m提高直接關系到圍巖強度。故而，建議使用預緊力、強力錨桿，以及錨索和強力鋼帶等，有效保證圍巖的強度非常必要，進而能夠確保圍巖承載方面的能力、強力錨桿力學性能。區段煤柱尺寸、支護方式相匹配，便于提高錨桿的性能，保證錨桿參數設置的科學性、可靠性。此外，可通過窄煤柱護巷回采巷道錨網帶、支護方法處理，以便不斷提高巷道圍巖的承載力。

試驗段小煤柱的寬度在7.5m左右，承載力和以往留設煤柱比較應收縮下降，而這也是成巷質量差的主要原因之一，穩定區內應力＞10MPa應力集中系數＞2倍，完成工作面回采工作遺留煤柱，會于較高應力條件下對下方煤層工作面布置構成不利的影響，所以建議將護巷煤柱寬度設置為5m，同時對試驗段巷道作以封閉加固處理，支護方案：（1）反底拱回填混凝土錨注方案，采動時小煤柱承載壓力作用下，底板遇水會發生膨脹所致底鼓問題，因此圍巖變形問題比較凸顯。經反復拉底無法處理上述問題，因而應實行底板超挖處理，目的為逐漸形成反底拱，對反底拱垂直打設孔注漿錨桿作以錨注處理，將間距設置為1.2m。在此之后，回填混凝土強度提高達到90%以上。（2）中空錨桿注漿加固小煤柱方案，中空錨桿以780mm*780mm尺寸布設，鄰近頂板位置向上傾斜15°左右后注漿，旨在提高小煤柱承載方面能力，2排錨桿間打1排錨索確保整體補強支護效果，如圖2[5-7]。（3）超前架棚巷道支護方案，使用小煤柱進行開采，因受到采動因素的影響，因此工作面前方、后方（50m、80m）均為應力升高區，建議施行架棚支護處理。實際支護的過程將架棚的排距設置為0.7cm，如圖3。

圖2 注漿

圖3 超前架棚巷道支護

5.結語

經研究發現使用小煤柱護巷可確定小煤柱尺寸，提高小煤柱穩定及可靠的性能。與此同時，采取高強度錨桿支護，在提高圍巖力學參數、小煤柱承載力，以及圍巖承載力等多個方面優勢突出，并且應該加強對深井沿空巷道應力的深入分析，確定支護方案、煤柱寬度，如此便于降低超前支撐壓力所致不良影響，對深井沿空巷道進行有效維護，確保巷道圍巖為穩定的狀態。