凌志達礦小煤柱沿空掘巷圍巖控制技術研究

楊鵬飛，栗鵬飛，張廣杰

（1.山西凌志達煤業有限公司，山西 長治 046066；2.河南理工大學河南理工產業技術研究院，河南 焦作 454003）

當前煤礦科技的快速進步，煤礦開采強度逐漸增加，煤層承受的集中應力也相應地變大，導致巷道掘進后所出現的沖擊地壓、圍巖變形嚴重及煤與瓦斯突出等問題比較突出，傳統的大煤柱護巷巷道往往也面臨這些問題[1，2]。而小煤柱沿空掘巷不僅可以多回采煤炭量，減少了煤炭資源的大量浪費，還對于解決煤礦突出災害問題起到一定的促進作用，是我國煤礦綠色安全高效發展的主要發展方向[3]。

近年來，許多專家學者對沿空掘巷技術作了大量的科研工作，并取得不錯的現場應用效果。張農等[4]研究了動壓影響下沿空掘巷煤柱側不穩定特征，將預應力組合支護措施應用于現場。柏建彪等[5，6]基于礦井埋深大、煤層傾角大的條件下實施沿空掘巷時，其覆巖運動特征作了研究分析，并提出相應的圍巖控制措施。華心祝等[7]基于孤島工作面的背景下沿空掘巷礦壓顯現規律作了模擬研究，提出錨網支護和注漿加固聯合支護技術。張東升等[8]采用預先澆筑混凝土墻替換小煤柱方式的沿空掘巷技術作了研究，并在現場進行了應用。姜耀東等[9]針對具有地應力反演特性的構造應力區條件下進行沿空掘巷時其小煤柱合理尺寸的確定進行了研究，認為煤柱寬度是決定沿空掘巷成功的關鍵。

本文以凌志達礦15207工作面為研究背景，基于該礦煤層上方存在一層較厚的堅硬石灰巖，對小煤柱沿空掘巷技術展開研究，實現在工作面回采時能夠安全穩定，為相似沿空掘巷工程的實施提供技術參考。

1 工程概況

山西凌志達煤業有限公司（全文簡稱凌志達煤礦）15207工作面開采15號煤層，煤厚為4.22 m左右。煤層傾角為3°~6°，局部地段傾角可達8°~12°。煤層層理、節理發育，絕對瓦斯量0.9 m3/min，為低瓦斯礦井；煤層自燃傾向性為二級。煤層爆炸指數10%，有爆炸危險性且易自燃。礦井正常涌水量為330 m3/h，不會對回采造成很大作用。煤層頂底板情況具體見綜合柱狀圖1所示。

圖1 煤層綜合柱狀圖

15207工作面為15102工作面接替面，在礦井二采區的西邊，西邊為15209采空區，南邊為東翼輔運大巷，東邊、北邊均是沒有開采的煤田，工作面布置示意如下頁圖2所示。15027工作面采用長壁式綜采一次采全高的采煤方法，通過全部垮落的方式進行處理采空區頂板。

圖2 工作面布置示意圖

以往凌志達煤礦區段煤柱普遍留設20 m，大大降低了煤炭的回采量，引起煤炭資源浪費嚴重，還使煤柱處于應力集中區域，由于15號煤層上方基本頂為堅硬的石灰巖，極易引起巷道變形破壞嚴重，不利于巷道維護。況且當前該礦采掘部署接替比較緊張，因此，研究頂板比較堅硬的情況下小煤柱沿空掘巷技術具有重要意義。

2 沿空掘巷覆巖結構及煤柱寬度研究

2.1 沿空掘巷覆巖結構運動特征

小煤柱沿空掘巷是一類特殊的巷道，具有巷道圍巖變形大、甚至破碎嚴重的特點[10]，而影響沿空掘巷穩定的關鍵因素是上區段工作面回采后采空區基本頂垮落情況，因此掌握上區段工作面采空區基本頂垮落位置對沿空掘巷至關重要。

當上區段工作面自初采推過一定距離后，隨著采空區上方關鍵巖層首次出現破斷（即初次來壓時）并且產生“O-X”型破斷，如圖3-1所示；而在采煤工作面不斷地開采到采空區上方關鍵巖層出現周期性破斷的過程中，關鍵巖層發生了類似半個“O-X”型的狀態，工作面端部的破斷看似弧形狀態，出現弧形三角塊B，如圖3-2所示，圖中關鍵塊A、B、C形成鉸接結構[2]。而在本工作面巷道沿空掘進及回采時則會引起上覆關鍵巖層失去穩定性，關鍵塊A則因旋轉力矩的作用導致關鍵塊B旋轉下沉，造成沿空掘巷周圍大結構失衡，而小煤柱沿空巷道的煤柱側可能發生變形破壞。上覆關鍵巖層的斷裂位置將會影響沿空掘巷三角塊結構的穩定性，對采空區側煤體的應力特征、小煤柱寬度的確定及圍巖整體穩定狀態造成很大的影響。上覆關鍵巖層上方的巖層當作作用在關鍵塊體上的重力，因動壓影響關鍵塊B上方的巖層則會出現離層、失去力學聯系[11]。而關鍵塊B則以給定變形的形式影響其下方的直接頂和煤體。

因此，進行沿空掘巷時若要確保其圍巖不發生變形破壞，既應使沿空掘進的巷道適應其覆巖大結構發生旋轉下沉等情況，還應保證沿空巷道圍巖適應圍巖小結構的活動，并對巷道進行加強支護，確保沿空巷道滿足工作面正?；夭傻氖褂靡?。

圖3 沿空掘巷與上覆巖層間的時空關系示意圖

2.2 小煤柱合理寬度的確定

確保沿空掘巷巷道圍巖穩定和小煤柱穩定的關鍵是煤柱寬度，合理的煤柱寬度能夠保證沿空掘進的巷道穩定可靠。按照極限平衡理論和彈性理論，結合相關研究成果可知，小煤柱合理寬度經驗公式[11]為：

式中：B為小煤柱寬度，m；h為煤厚，m；a為側向壓力系數，0.25；φ為煤的內摩擦角，35°；C為煤的黏聚力，4 MPa；K為應力集中系數，1.5；γ為覆巖容重，18 MN/m3；H為巷道埋藏深度，m；P為臨近面巷道幫部支護強度，0.25 MPa；L為錨桿有效長度，取1.8 m。

根據公式計算并結合現場實際條件，確定小煤柱合理尺寸為5.0 m。

3 沿空掘巷圍巖控制技術研究

3.1 圍巖控制對策

根據沿空掘巷覆巖結構特分析及小煤柱寬度的確定，結合15207工作面實際地質情況，提出以高強預應力錨桿（索）支護、頂板和煤柱幫加強支護、相鄰斷頂卸壓技術以及巷道礦壓監測等為基礎的綜合控制對策施進行15207回風巷掘進。

在高強預應力支護基礎上形成高強穩定型支護措施：

1）高強預應力錨桿（索）支護系統。普通錨桿（索）難以確保特殊地質條件的巷道圍巖穩定，而高強預應力錨桿（索）則能夠達到錨固性能好、強度高，比較容易達到有效的預緊力，并且配合金屬網、鋼帶可以有效控制沿空掘進的巷道圍巖整體穩定[10]。

2）頂板加強支護（組合錨索）。組合錨索是有一個錨索托盤及多根錨索線組成的，除了常規的頂板支護外，補打組合錨索可以提高巷道頂板整體強度和承載能力。

3）煤柱幫加強支護（短錨索支護）。小煤柱巷道剛開始被開挖后，往往會出現巷道變形比較大的現象，為了能夠確保小煤柱的整體穩定，除了常規煤柱幫采用錨桿支護外，可以采用短錨索進行加強支護，以彌補錨桿支護強度在地質條件差時起不到效果的不足；如果煤柱幫破碎嚴重時則采取注漿的方式進行加固煤柱幫。

4）相鄰斷頂卸壓技術。由于該礦上方基本頂為堅硬的石灰巖，工作面開采前巷道可能變形不大，但受工作面采動的作用，往往會使小煤柱巷道出現頂板下沉量大、底鼓量大及兩幫變形嚴重等問題，為了解決該問題，提出相鄰斷頂卸壓技術，即在工作面前方小煤柱巷道靠近煤柱側的頂板采用爆破預裂技術將巷道上方的基本頂巖層與上工作面采空區基本頂巖層的應力聯系切斷，確保本工作面回采時不受臨近采空區的影響。

5）巷道圍巖監測技術。為了掌握小煤柱巷道在開挖、工作面開采時圍巖變化情況，通過在巷道內設置變形觀測、錨桿（索）受力載荷情況及頂板離層情況等監測內容，以根據監測結果適時采取相應的措施保證工作面能夠安全回采。

3.2 掘巷支護方案

根據前文所述保證小煤柱巷道圍巖穩定的主要方式是通過錨桿（索）將圍巖應力傳遞至圍巖深部，進而使巷道周圍巖體內部出現整體穩定的承載層，并起到主動支護的效果。根據煤層頂底板巖性情況可知，15號煤層上方關鍵巖層是比較堅硬的灰巖，含少量泥巖，軟弱夾層發育較少，巖石以水平層理為主，可視為層狀頂板，所以可采用組合梁理論進行確定支護參數。15207工作面回風巷采取沿頂留底的方式掘進，為矩形斷面，尺寸為：寬×高=5.0 m×3.5 m。具體支護參數如圖4所示。

3.2.1 巷道頂板支護方案

頂板采用Φ20 mm×2 400 mm的左旋無縱筋螺紋鋼錨桿進行支護，屈服強度大于500 MPa，每排6根錨桿加W型鋼帶，間排距900 mm×1 200 mm，距幫部較近的頂錨桿與巷道軸向成15°夾角，距離兩幫均為250 mm，其他錨桿均垂直頂板打設，預緊力矩達到100 N·m。采用兩支型號為MSCK2335和MSK2360的樹脂錨固劑，錨固方式為先放前者，后放后者；錨固的長度應達到950 mm，錨固力達到100 kN（25 MPa以上）。托盤為150 mm×150 mm×8 mm預應力托盤。W型鋼帶及鋼筋網護表。

圖4 巷道支護方案斷面圖（mm）

在兩排錨桿之間打設錨索或組合錨索，錨索為Φ17.8 mm×6 000 mm的鋼絞線，間排距為1 800 mm×2 700 mm，靠近煤柱側的為組合錨索，靠近回采幫側的為錨索，與頂板垂直，托盤為300 mm×300 mm×16 mm的鋼托盤。組合錨索由3根錨索與組合錨索托盤組成，均為Φ17.8 mm×8 000 mm鋼絞線，成等腰三角形布置，托盤為500 mm×500 mm×16 mm的鋼板。

3.2.2 巷道回采幫支護方案

回采幫采用Φ20 mm×2 000 mm的左旋無縱筋螺紋鋼錨桿進行幫部支護，間距1.3 m，排距1.2 m，自上而下第一根錨桿距頂板0.4 m，第三根錨桿距底板0.5 m，每幫每排3根。幫部頂錨桿仰斜20°布置，其余垂直巷幫布置，錨桿預緊力矩必須大于100 N·m，采用型號為MSK2360的樹脂錨固劑一支，錨桿錨固的長度必須達到0.6 m，錨桿錨固力必須大于100 kN（25 MPa以上）。

3.2.3 巷道煤柱幫支護方案

煤柱幫采用Φ20 mm×2 000 mm的左旋無縱筋螺紋鋼錨桿、Φ17.8 mm×2 000 mm的高強預應力錨索等聯合支護方式，間排距均為1.0 m。采用型號為150 mm×150 mm×10 mm的預應力錨桿托盤以及型號為300 mm×300 mm×16 mm的錨索鋼托盤。自上而下第一根距頂200 mm打設錨索，其夾角為上偏20°；第四根距底板300 mm打設錨桿，其夾角為下偏15°；第二、第三根為錨桿與錨索交替布置，均垂直巷幫，參數保持一致。回采幫和煤柱幫均采用450 mm×280 mm×5 mm的W型鋼護板及50 mm×50 mm的網格菱形金屬網護表。

3.3 掘巷效果分析

為掌握15207工作面小煤柱沿空掘巷巷道圍巖控制效果，在掘巷段進行表面位移觀測，根據變形情況進行制定相關控制措施。觀測結果如下頁圖5所示。

由圖5可知，兩幫移近量105 mm，頂底板移近量94 mm，說明前文支護方案能夠有效控制15207回風巷變形，掘巷圍巖整體穩定好，掘巷效果良好，能夠滿足工作面安全生產要求。

圖5 巷道表面位移變形曲線

4 結論

1）對沿空掘巷覆巖運動特征進行了研究分析，影響小煤柱沿空掘巷圍巖變形失穩的關鍵因素是巷道上覆基本頂巖層索形成的弧三角塊體。要保證沿空掘巷圍巖的穩定性，提出以高強預應力錨桿（索）支護、頂板和煤柱幫加強支護以及相鄰斷頂卸壓技術等為基礎的綜合控制對策施。

2）根據有限平衡理論和小煤柱經驗公式，結合凌志達礦實際地質條件，計算得到15207回風巷小煤柱寬度不大于5 m?，F場試驗表明，小煤柱巷道在掘進期間兩幫變形達到105 mm，頂底板變形達到94 mm，說明掘巷圍巖整體穩定好，掘巷效果良好，