小煤柱孤島工作面回采巷道支護技術研究

吳鵬飛

（晉能控股煤業集團正明煤業， 山西 左權 032699）

1 做好工作面回采巷道支護的意義

通過大量煤礦開采實例可以發現，我國多數煤礦開采都在地下進行，因此，在煤礦開采時，要在井下進行大量巷道掘進，通過建設巷道方式確保巷道順暢，保證圍巖穩定，這對煤礦開采以及生產穩定性都發揮著重要作用。

煤礦開采期間，進行巷道支護的核心目的就是減少或緩和圍巖移動情況，避免在煤礦開采時，巷道斷面過度縮小，同時，也能夠避免已經發生破壞和離散的圍巖發生冒落現象[1]。煤礦開采期間，巷道整體支護效果會受到不同因素影響，不僅受支架自身支撐力影響，而且還會受到支架力學性質、圍巖性質、支架安設時間、密度、質量，以及安裝的支架之間與巷道圍巖的接觸方式等各項因素影響，在進行巷道支護時，要對上述各項問題進行探討，確保支護效果能夠達到預期，避免發生安全事故[2]。一般來說，為了確保安裝巷道支架在調節圍巖變形和控制方面都能夠起到支持作用，要在圍巖松動，以及破壞前完成支架安裝，確保支架與圍巖能夠保持自承力情況下與其相互協作，從而發揮出承載作用。而不是在圍巖發生破壞、松散，完全喪失自承力后再利用支架承擔冒落巖石塊[3]。總而言之，就是讓支架與圍巖相互配合，兩者共同作用，實現對巷道的保護，避免發生坍塌等事故[4]。

2 2135 工作面工程概況

某煤礦的2135 工作面位于礦井一采區北翼，工作面西側2137 采空區與東側2133 采空區都完成了回采作業。2135 進風巷與2137 工作面采空區區段預留了5.8 m 窄小煤柱，回風巷與2135 采空區預留了25 m 煤柱。

2135 工作面煤層賦存標高在638.5～713.8 m，煤層厚度集中在2.1～2.4 m。對工作面斜長度為188.5 m，可以進行煤礦開采的長度為1022.5 m。2135 工作面的直接頂厚度為2.12 m，以砂巖為主；直接頂厚度為3.18 m，以粉砂質泥巖；偽頂厚度主要集中在0.16 m，以砂質泥巖為主；直接頂厚度在3.88 m，以粉砂泥質巖，2135 工作面在開采時，原支護方案采取錨、網、索、梁相互結合方式支護。

3 分析工作面頂板具體結構

3.1 觀測2135 工作面變形情況

在煤礦開采過程中，對2135 工作面小煤柱孤島工作面圍巖情況進行全面觀察，通過觀察，可以確定2135 工作面具有如下特點：

1）在掘進2135 工作面期間發生了應力集中問題，而且應力集中會持續較長時間。相關工作人員對現場情況進行監測，獲取到了大量監測數據，在進行巷道掘進60 d 內，巷道的兩幫和頂底板都發生了較為嚴重的變形問題，其中兩幫變形與底板變形相比較為嚴重，前者變形約為后者的兩倍左右。同時，還出現了底鼓情況，并且會發生不均勻隆起問題，在煤礦開采期間，巷道靠采空區側底板發生了較為嚴重變形問題，這也對工作面開采作業安全性、穩定性都造成了較為嚴重影響。

2）進行2135 工作面回采期間，圍巖應力顯現十分劇烈，而且巷道頂幫發生了較大位移現象。在煤礦開采時，受2135 工作面回采影響，進風巷發生了支承壓力和采動應力疊加問題，這也就導致5.8 m 區段煤柱出現了應力集中問題，在煤礦開采時，巷道出現了底鼓，同時，頂板也發生了嚴重下沉，以及巷幫位移較大等各項問題。對巷道整體情況進行觀察可以發現，巷道最大底鼓量約為468 mm，兩幫最大位移量約為968.5 mm，頂板下沉量約為572.5 mm。

3.2 分析頂板特點

隨著2135 工作面回采作業的不斷深入，2135 工作面基本頂從初次垮落發展到周期性改變。對2135工作面中情況進行觀察可以發現，巖層斷裂區域內存在巖石深入到區段煤柱上方，而且巖石在下沉期間發生了旋轉，這也就導致區域短內煤柱應力狀態會發生改變，這會對小區段工作面回采巷道圍巖應力造成一定影響，可能會引起事故，導致煤礦開采作業無法順利進行[5]。從大量煤礦開采情況來看，窄小煤柱通常都位于殘余支承應力峰值下，受巷道掘進影響，這會對窄小煤柱造成一定影響發生破壞而被卸載，受巷道掘進因素影響，這會導致2135 工作面內的巖石應力狀態重新分布，而煤柱在開采期間承受到較大壓力影響，巷道方向將會發生側向移動；區段巷道煤柱靠采空區側煤體，受應力集中彈性狀態影響，會出現塑性流和較發育的裂隙[6]。在煤礦開采過程中，小煤柱遇到外力發生破壞，會保持塑性流變狀態，巷道形成圍巖之后，在較長一段時間都會發生持續變形問題，對后續煤礦開采作業會造成一定影響。2135 工作面頂板巖層在開采期間會發生運動，兩側采空區會對回采巷道造成一定影響，會形成殘余支撐壓力，這會使2135 工作面巷道圍巖應力集中，從而使巷道發生嚴重變形問題，進而使原本留設的5.8 m 小煤柱進風巷發生更加嚴重的變形問題。

3.3 分析小煤柱受力情況

依據煤礦開采實際經驗可以發現，在進行2135工作面回采作業時，引起支撐應力最大影響距離為25.5 m，小煤柱寬度為5.8 m，小于支撐應力最大影響距離。在2135 工作面回采期間，受采動影響，會導致煤柱兩側支撐壓力發生疊加現象，這將會導致煤柱中部荷載在短時間內快速加大，這將會使煤柱塑流動，在該狀態下，會降低煤柱的整體支撐力，造成孤島工作面回采巷道圍巖將會發生失穩問題，進而會出現嚴重變形現象。

4 回采巷道支護方案優化

4.1 確定巷道支護參數

分析巷道頂板特點和圍巖應力具體情況，隨著回采孤島工作面不斷深入，將會導致煤柱內部出現裂縫，受應力集中影響，這會導致圍巖發生錯動、離層、裂隙變大等非連續變形問題，危害巨大。小煤柱孤島工作面巷道在煤礦開采過程中的穩定性主要在巷道兩幫和頂板控制。在加固回采巷道，應提高煤幫整體支護強度以及圍巖支撐能力，以免在煤礦開采時，由于煤柱變形而發生頂板離層問題，確保巷道變形均勻，以免發生非均勻變形，而引發事故[7]。工作人員在具體作業開展期間，采用礦用數碼鉆孔成像測試觀測2135 進風巷道圍巖具體變化情況，為了通過觀測能夠獲取到精準數據，要將觀測點選在距離臨近采空區停線105 m 處，通過觀察可以發現，采空區側煤幫1.58 m 范圍內裂隙發育；巷道頂板1.48 m內裂隙發育；回采側煤幫1.37 m 內裂隙發育。該測點并未受到2135 工作面回采作業影響，在具體開采作業時，采取頂板錨桿支護方式進行保護，能夠起到保護效果。以此作為推測依據，受工作面回采影響，工作面超前范圍內2135 進風巷道頂幫變形量會增加。

4.2 設計煤礦巷道支護方案

1）在進行煤礦支護時，在巷道中要加設一個錨索，新增加的錨索與原巷道頂板支護錨索相互配，形成五花型狀錨索，采用的錨索公稱直徑為18.2 mm，長度為520 cm；靠采空區側煤幫采用鋼絞線錨索，公稱直徑為18.2 mm，長度為360 cm，每排設置2 根，幫錨索間拍距為160 cm×165 cm。

2）2135 工作面85 m 超前范圍內，在進行密集點柱布置是采取“單株+Π”型梁，為了減少材料使用量，要將棚梁間距大小控制在1.0 m 以內，同時，要在采空區布置巷道煤幫處設置兩個單體，通過這種設置方式，能夠使巷道整體承載能力得到進一步提高，避免在煤礦開采時發生事故，造成巨大經濟損失，以及人員傷亡。

4.3 回采巷道支護效果分析

在煤礦開采期間，為了驗證小煤柱孤島工作面回采巷道支護效果，要在2135 進風巷距85 m 位置處進行觀測點設置，具體觀測作業主要針對頂底板位移量，幫部圍巖變形情況進行全面觀測，圍巖變形結果如表1 所示。

通過表1 中數據可以發現，從自測點觀測日到推進到采煤工作面，兩幫圍巖發生的最大位移量為465.5 mm，巷道頂板最大圍巖變形量為380.3 mm，兩幫圍巖和頂板變形量與支護之前相比，減少明顯，能夠滿足煤礦開采作業需求。

表1 圍巖變形結果

5 結語

2135 進風巷受工作面回采影響，會造成采空區側小煤柱應力集中降低，巷道圍巖在煤礦開采過程中會發生較為嚴重的變形問題，并且靠近采空區側巷道頂板和煤幫都會發生嚴重變形問題，通過合理方式進行支護，能夠提高小煤柱孤島工作面回采巷道穩定性，減少維護量，在確保煤礦開采作業安全基礎上，提高經濟效益。