凌志達(dá)礦小煤柱沿空掘巷圍巖控制技術(shù)研究

楊鵬飛，栗鵬飛，張廣杰

（1.山西凌志達(dá)煤業(yè)有限公司，山西 長(zhǎng)治 046066；2.河南理工大學(xué)河南理工產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究院，河南 焦作 454003）

當(dāng)前煤礦科技的快速進(jìn)步，煤礦開(kāi)采強(qiáng)度逐漸增加，煤層承受的集中應(yīng)力也相應(yīng)地變大，導(dǎo)致巷道掘進(jìn)后所出現(xiàn)的沖擊地壓、圍巖變形嚴(yán)重及煤與瓦斯突出等問(wèn)題比較突出，傳統(tǒng)的大煤柱護(hù)巷巷道往往也面臨這些問(wèn)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(fèi)，還對(duì)于解決煤礦突出災(zāi)害問(wèn)題起到一定的促進(jìn)作用，是我國(guó)煤礦綠色安全高效發(fā)展的主要發(fā)展方向[3]。

近年來(lái)，許多專(zhuān)家學(xué)者對(duì)沿空掘巷技術(shù)作了大量的科研工作，并取得不錯(cuò)的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果。張農(nóng)等[4]研究了動(dòng)壓影響下沿空掘巷煤柱側(cè)不穩(wěn)定特征，將預(yù)應(yīng)力組合支護(hù)措施應(yīng)用于現(xiàn)場(chǎng)。柏建彪等[5，6]基于礦井埋深大、煤層傾角大的條件下實(shí)施沿空掘巷時(shí)，其覆巖運(yùn)動(dòng)特征作了研究分析，并提出相應(yīng)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(xiàn)規(guī)律作了模擬研究，提出錨網(wǎng)支護(hù)和注漿加固聯(lián)合支護(hù)技術(shù)。張東升等[8]采用預(yù)先澆筑混凝土墻替換小煤柱方式的沿空掘巷技術(shù)作了研究，并在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行了應(yīng)用。姜耀東等[9]針對(duì)具有地應(yīng)力反演特性的構(gòu)造應(yīng)力區(qū)條件下進(jìn)行沿空掘巷時(shí)其小煤柱合理尺寸的確定進(jìn)行了研究，認(rèn)為煤柱寬度是決定沿空掘巷成功的關(guān)鍵。

本文以凌志達(dá)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(jiān)硬石灰?guī)r，對(duì)小煤柱沿空掘巷技術(shù)展開(kāi)研究，實(shí)現(xiàn)在工作面回采時(shí)能夠安全穩(wěn)定，為相似沿空掘巷工程的實(shí)施提供技術(shù)參考。

1 工程概況

山西凌志達(dá)煤業(yè)有限公司（全文簡(jiǎn)稱(chēng)凌志達(dá)煤礦）15207工作面開(kāi)采15號(hào)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(dá)8°~12°。煤層層理、節(jié)理發(fā)育，絕對(duì)瓦斯量0.9 m3/min，為低瓦斯礦井；煤層自燃傾向性為二級(jí)。煤層爆炸指數(shù)10%，有爆炸危險(xiǎn)性且易自燃。礦井正常涌水量為330 m3/h，不會(huì)對(duì)回采造成很大作用。煤層頂?shù)装迩闆r具體見(jiàn)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(qū)的西邊，西邊為15209采空區(qū)，南邊為東翼輔運(yùn)大巷，東邊、北邊均是沒(méi)有開(kāi)采的煤田，工作面布置示意如下頁(yè)圖2所示。15027工作面采用長(zhǎng)壁式綜采一次采全高的采煤方法，通過(guò)全部垮落的方式進(jìn)行處理采空區(qū)頂板。

圖2 工作面布置示意圖

以往凌志達(dá)煤礦區(qū)段煤柱普遍留設(shè)20 m，大大降低了煤炭的回采量，引起煤炭資源浪費(fèi)嚴(yán)重，還使煤柱處于應(yīng)力集中區(qū)域，由于15號(hào)煤層上方基本頂為堅(jiān)硬的石灰?guī)r，極易引起巷道變形破壞嚴(yán)重，不利于巷道維護(hù)。況且當(dāng)前該礦采掘部署接替比較緊張，因此，研究頂板比較堅(jiān)硬的情況下小煤柱沿空掘巷技術(shù)具有重要意義。

2 沿空掘巷覆巖結(jié)構(gòu)及煤柱寬度研究

2.1 沿空掘巷覆巖結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)特征

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

當(dāng)上區(qū)段工作面自初采推過(guò)一定距離后，隨著采空區(qū)上方關(guān)鍵巖層首次出現(xiàn)破斷（即初次來(lái)壓時(shí)）并且產(chǎn)生“O-X”型破斷，如圖3-1所示；而在采煤工作面不斷地開(kāi)采到采空區(qū)上方關(guān)鍵巖層出現(xiàn)周期性破斷的過(guò)程中，關(guān)鍵巖層發(fā)生了類(lèi)似半個(gè)“O-X”型的狀態(tài)，工作面端部的破斷看似弧形狀態(tài)，出現(xiàn)弧形三角塊B，如圖3-2所示，圖中關(guān)鍵塊A、B、C形成鉸接結(jié)構(gòu)[2]。而在本工作面巷道沿空掘進(jìn)及回采時(shí)則會(huì)引起上覆關(guān)鍵巖層失去穩(wěn)定性，關(guān)鍵塊A則因旋轉(zhuǎn)力矩的作用導(dǎo)致關(guān)鍵塊B旋轉(zhuǎn)下沉，造成沿空掘巷周?chē)蠼Y(jié)構(gòu)失衡，而小煤柱沿空巷道的煤柱側(cè)可能發(fā)生變形破壞。上覆關(guān)鍵巖層的斷裂位置將會(huì)影響沿空掘巷三角塊結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，對(duì)采空區(qū)側(cè)煤體的應(yīng)力特征、小煤柱寬度的確定及圍巖整體穩(wěn)定狀態(tài)造成很大的影響。上覆關(guān)鍵巖層上方的巖層當(dāng)作作用在關(guān)鍵塊體上的重力，因動(dòng)壓影響關(guān)鍵塊B上方的巖層則會(huì)出現(xiàn)離層、失去力學(xué)聯(lián)系[11]。而關(guān)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(jìn)行沿空掘巷時(shí)若要確保其圍巖不發(fā)生變形破壞，既應(yīng)使沿空掘進(jìn)的巷道適應(yīng)其覆巖大結(jié)構(gòu)發(fā)生旋轉(zhuǎn)下沉等情況，還應(yīng)保證沿空巷道圍巖適應(yīng)圍巖小結(jié)構(gòu)的活動(dòng)，并對(duì)巷道進(jìn)行加強(qiáng)支護(hù)，確保沿空巷道滿(mǎn)足工作面正?；夭傻氖褂靡?。

圖3 沿空掘巷與上覆巖層間的時(shí)空關(guān)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(wěn)定和小煤柱穩(wěn)定的關(guān)鍵是煤柱寬度，合理的煤柱寬度能夠保證沿空掘進(jìn)的巷道穩(wěn)定可靠。按照極限平衡理論和彈性理論，結(jié)合相關(guān)研究成果可知，小煤柱合理寬度經(jīng)驗(yàn)公式[11]為：

式中：B為小煤柱寬度，m；h為煤厚，m；a為側(cè)向壓力系數(shù)，0.25；φ為煤的內(nèi)摩擦角，35°；C為煤的黏聚力，4 MPa；K為應(yīng)力集中系數(shù)，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(hù)強(qiáng)度，0.25 MPa；L為錨桿有效長(zhǎng)度，取1.8 m。

根據(jù)公式計(jì)算并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)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(shù)研究

3.1 圍巖控制對(duì)策

根據(jù)沿空掘巷覆巖結(jié)構(gòu)特分析及小煤柱寬度的確定，結(jié)合15207工作面實(shí)際地質(zhì)情況，提出以高強(qiáng)預(yù)應(yīng)力錨桿（索）支護(hù)、頂板和煤柱幫加強(qiáng)支護(hù)、相鄰斷頂卸壓技術(shù)以及巷道礦壓監(jiān)測(cè)等為基礎(chǔ)的綜合控制對(duì)策施進(jìn)行15207回風(fēng)巷掘進(jìn)。

在高強(qiáng)預(yù)應(yīng)力支護(hù)基礎(chǔ)上形成高強(qiáng)穩(wěn)定型支護(hù)措施：

1）高強(qiáng)預(yù)應(yīng)力錨桿（索）支護(hù)系統(tǒng)。普通錨桿（索）難以確保特殊地質(zhì)條件的巷道圍巖穩(wěn)定，而高強(qiáng)預(yù)應(yīng)力錨桿（索）則能夠達(dá)到錨固性能好、強(qiáng)度高，比較容易達(dá)到有效的預(yù)緊力，并且配合金屬網(wǎng)、鋼帶可以有效控制沿空掘進(jìn)的巷道圍巖整體穩(wěn)定[10]。

2）頂板加強(qiáng)支護(hù)（組合錨索）。組合錨索是有一個(gè)錨索托盤(pán)及多根錨索線(xiàn)組成的，除了常規(guī)的頂板支護(hù)外，補(bǔ)打組合錨索可以提高巷道頂板整體強(qiáng)度和承載能力。

3）煤柱幫加強(qiáng)支護(hù)（短錨索支護(hù)）。小煤柱巷道剛開(kāi)始被開(kāi)挖后，往往會(huì)出現(xiàn)巷道變形比較大的現(xiàn)象，為了能夠確保小煤柱的整體穩(wěn)定，除了常規(guī)煤柱幫采用錨桿支護(hù)外，可以采用短錨索進(jìn)行加強(qiáng)支護(hù)，以彌補(bǔ)錨桿支護(hù)強(qiáng)度在地質(zhì)條件差時(shí)起不到效果的不足；如果煤柱幫破碎嚴(yán)重時(shí)則采取注漿的方式進(jìn)行加固煤柱幫。

4）相鄰斷頂卸壓技術(shù)。由于該礦上方基本頂為堅(jiān)硬的石灰?guī)r，工作面開(kāi)采前巷道可能變形不大，但受工作面采動(dòng)的作用，往往會(huì)使小煤柱巷道出現(xiàn)頂板下沉量大、底鼓量大及兩幫變形嚴(yán)重等問(wèn)題，為了解決該問(wèn)題，提出相鄰斷頂卸壓技術(shù)，即在工作面前方小煤柱巷道靠近煤柱側(cè)的頂板采用爆破預(yù)裂技術(shù)將巷道上方的基本頂巖層與上工作面采空區(qū)基本頂巖層的應(yīng)力聯(lián)系切斷，確保本工作面回采時(shí)不受臨近采空區(qū)的影響。

5）巷道圍巖監(jiān)測(cè)技術(shù)。為了掌握小煤柱巷道在開(kāi)挖、工作面開(kāi)采時(shí)圍巖變化情況，通過(guò)在巷道內(nèi)設(shè)置變形觀測(cè)、錨桿（索）受力載荷情況及頂板離層情況等監(jiān)測(cè)內(nèi)容，以根據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果適時(shí)采取相應(yīng)的措施保證工作面能夠安全回采。

3.2 掘巷支護(hù)方案

根據(jù)前文所述保證小煤柱巷道圍巖穩(wěn)定的主要方式是通過(guò)錨桿（索）將圍巖應(yīng)力傳遞至圍巖深部，進(jìn)而使巷道周?chē)鷰r體內(nèi)部出現(xiàn)整體穩(wěn)定的承載層，并起到主動(dòng)支護(hù)的效果。根據(jù)煤層頂?shù)装鍘r性情況可知，15號(hào)煤層上方關(guān)鍵巖層是比較堅(jiān)硬的灰?guī)r，含少量泥巖，軟弱夾層發(fā)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(jìn)行確定支護(hù)參數(shù)。15207工作面回風(fēng)巷采取沿頂留底的方式掘進(jìn)，為矩形斷面，尺寸為：寬×高=5.0 m×3.5 m。具體支護(hù)參數(shù)如圖4所示。

3.2.1 巷道頂板支護(hù)方案

頂板采用Φ20 mm×2 400 mm的左旋無(wú)縱筋螺紋鋼錨桿進(jìn)行支護(hù)，屈服強(qiáng)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(shè)，預(yù)緊力矩達(dá)到100 N·m。采用兩支型號(hào)為MSCK2335和MSK2360的樹(shù)脂錨固劑，錨固方式為先放前者，后放后者；錨固的長(zhǎng)度應(yīng)達(dá)到950 mm，錨固力達(dá)到100 kN（25 MPa以上）。托盤(pán)為150 mm×150 mm×8 mm預(yù)應(yīng)力托盤(pán)。W型鋼帶及鋼筋網(wǎng)護(hù)表。

圖4 巷道支護(hù)方案斷面圖（mm）

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

3.2.2 巷道回采幫支護(hù)方案

回采幫采用Φ20 mm×2 000 mm的左旋無(wú)縱筋螺紋鋼錨桿進(jìn)行幫部支護(hù)，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(yù)緊力矩必須大于100 N·m，采用型號(hào)為MSK2360的樹(shù)脂錨固劑一支，錨桿錨固的長(zhǎng)度必須達(dá)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(hù)方案

煤柱幫采用Φ20 mm×2 000 mm的左旋無(wú)縱筋螺紋鋼錨桿、Φ17.8 mm×2 000 mm的高強(qiáng)預(yù)應(yīng)力錨索等聯(lián)合支護(hù)方式，間排距均為1.0 m。采用型號(hào)為150 mm×150 mm×10 mm的預(yù)應(yīng)力錨桿托盤(pán)以及型號(hào)為300 mm×300 mm×16 mm的錨索鋼托盤(pán)。自上而下第一根距頂200 mm打設(shè)錨索，其夾角為上偏20°；第四根距底板300 mm打設(shè)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(shù)保持一致?；夭蓭秃兔褐鶐途捎?50 mm×280 mm×5 mm的W型鋼護(hù)板及50 mm×50 mm的網(wǎng)格菱形金屬網(wǎng)護(hù)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(jìn)行表面位移觀測(cè)，根據(jù)變形情況進(jìn)行制定相關(guān)控制措施。觀測(cè)結(jié)果如下頁(yè)圖5所示。

由圖5可知，兩幫移近量105 mm，頂?shù)装逡平?4 mm，說(shuō)明前文支護(hù)方案能夠有效控制15207回風(fēng)巷變形，掘巷圍巖整體穩(wěn)定好，掘巷效果良好，能夠滿(mǎn)足工作面安全生產(chǎn)要求。

圖5 巷道表面位移變形曲線(xiàn)

4 結(jié)論

1）對(duì)沿空掘巷覆巖運(yùn)動(dòng)特征進(jìn)行了研究分析，影響小煤柱沿空掘巷圍巖變形失穩(wěn)的關(guān)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(wěn)定性，提出以高強(qiáng)預(yù)應(yīng)力錨桿（索）支護(hù)、頂板和煤柱幫加強(qiáng)支護(hù)以及相鄰斷頂卸壓技術(shù)等為基礎(chǔ)的綜合控制對(duì)策施。

2）根據(jù)有限平衡理論和小煤柱經(jīng)驗(yàn)公式，結(jié)合凌志達(dá)礦實(shí)際地質(zhì)條件，計(jì)算得到15207回風(fēng)巷小煤柱寬度不大于5 m?，F(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)表明，小煤柱巷道在掘進(jìn)期間兩幫變形達(dá)到105 mm，頂?shù)装遄冃芜_(dá)到94 mm，說(shuō)明掘巷圍巖整體穩(wěn)定好，掘巷效果良好，