小煤柱回采巷道圍巖控制措施研究

范夢(mèng)夢(mèng)

（西山煤電股份有限公司馬蘭礦，山西 古交 030205）

1 工作面概述

西山煤電集團(tuán)股份有限公司馬蘭礦12703工作面位于井田南七采區(qū)右翼，工作面所采煤層為二疊系下統(tǒng)山西組2#煤層，屬近水平穩(wěn)定可采厚煤層。煤層結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，煤層普氏硬度2.0～2.5。

12703工作面設(shè)計(jì)走向長(zhǎng)度為1058 m，傾向長(zhǎng)度為178 m，回采煤層平均厚度為3.0 m，工作面采用綜合機(jī)械化后退式回采工藝，全部垮落法處理采空區(qū)。12703工作面西側(cè)為12702采空區(qū)，東側(cè)實(shí)煤區(qū)。為了提高工作面煤柱回收率，12703工作面采用預(yù)留小煤柱法進(jìn)行回采，即工作面回風(fēng)順槽與12702采空區(qū)之間預(yù)留小煤柱，小煤柱寬度為20 m。截至目前工作面已回采120 m。

由于12703工作面煤層屬石炭系煤層，工作面采用小煤柱回采期間受鄰近采空區(qū)壓力及回采應(yīng)力影響，在前期回采階段回風(fēng)順槽側(cè)小煤柱出現(xiàn)嚴(yán)重片幫現(xiàn)象，隨著工作面不斷推進(jìn)和采空區(qū)垮落，小煤柱受力加大，在工作面回采至80 m處工作面頂板與小煤柱之間三角煤柱出現(xiàn)局部垮落現(xiàn)象，煤柱支撐作用失效，頂板下沉量達(dá)0.35 m，且出現(xiàn)鄰近采空區(qū)瓦斯涌出現(xiàn)象，局部地段瓦斯?jié)舛冗_(dá)到1.8%。受應(yīng)力作用，小煤柱安全維護(hù)難度加大，降低了煤柱對(duì)頂板支撐作用，而且很容易造成工作面與鄰近采空區(qū)貫通，從而嚴(yán)重威脅綜采工作面安全生產(chǎn)。

2 原支護(hù)設(shè)計(jì)及問(wèn)題分析

2.1 原支護(hù)方式

在工作面形成階段，初步支護(hù)設(shè)計(jì)中對(duì)小煤柱采用單錨桿支護(hù)，錨桿長(zhǎng)度為2.0m，直徑為22mm，煤柱共施工三排護(hù)幫，排距為1.0m，間距為1.0m，第一排護(hù)幫距頂板間距為0.5m。錨桿與煤柱之間采用長(zhǎng)度為0.45m、寬度為0.25m鋼帶進(jìn)行預(yù)緊。

2.2 問(wèn)題分析

由于預(yù)留煤柱寬度為20m，煤柱對(duì)頂板支撐作用力小，在應(yīng)力作用下煤柱發(fā)生擠壓變形，在變形區(qū)域內(nèi)形成應(yīng)力集中區(qū)，造成應(yīng)力集中區(qū)內(nèi)煤體出現(xiàn)嚴(yán)重破碎現(xiàn)象，破碎深度達(dá)2.5m，而原支護(hù)設(shè)計(jì)錨桿長(zhǎng)度為2.0m，錨桿錨固端位于破碎巖體內(nèi)，錨固效果差，同時(shí)煤體破碎時(shí)膠結(jié)穩(wěn)定性差，錨桿對(duì)煤柱支護(hù)作用力在破碎巖體內(nèi)出現(xiàn)擴(kuò)散，支護(hù)效果差。而且單一的錨桿只能對(duì)局部范圍內(nèi)煤柱起到支護(hù)作用，當(dāng)應(yīng)力集中時(shí)相鄰錨桿之間無(wú)法起到聯(lián)鎖作用，錨桿與錨桿之間的支護(hù)薄弱區(qū)很容易出現(xiàn)應(yīng)力突出，從而造成煤壁片幫現(xiàn)象。

3 小煤柱聯(lián)合支護(hù)設(shè)計(jì)

為提高小煤柱支護(hù)作用，對(duì)小煤柱采用注漿+施工加長(zhǎng)錨桿并安裝圓鋼托架+“L”型鋼棚等聯(lián)合支護(hù)，具體施工方法如下。

3.1 注漿支護(hù)

（1）在12703回風(fēng)順槽原支護(hù)作用下，對(duì)小煤柱進(jìn)行注漿支護(hù)，漿液主要采用馬麗散與催化劑配合比為1∶1混合液，采用高壓注漿泵進(jìn)行注射。

（2）煤柱共施工兩排注漿孔，排距為2.0m，間距為3.0m，第一排注漿孔距頂板間距為0.5m，注漿孔深度為4.0m，孔徑為42mm。

（3）注漿孔施工完后對(duì)其埋設(shè)注漿管并安裝封口器，然后將高壓膠管連接注射槍和注漿泵進(jìn)行注漿，注漿期間發(fā)現(xiàn)煤體有漿液滲出時(shí)停止注漿并及時(shí)封孔。

3.2 加長(zhǎng)錨桿及圓鋼托架施工

（1）為了進(jìn)一步提高支護(hù)體對(duì)小煤柱支護(hù)作用，煤柱注漿后施工三排加長(zhǎng)錨桿，加長(zhǎng)錨桿長(zhǎng)度為3.5m，直徑為22mm，錨桿排距為1.0m，間距為2.0m，每根錨桿采用兩支型號(hào)分別為MSK23/35、MSKC23/80錨固劑錨固。錨桿與煤柱之間采用長(zhǎng)度為0.5 m，寬度為0.28m“JW”型鋼帶進(jìn)行預(yù)緊，如圖1所示。

（2）三排加長(zhǎng)錨桿施工完后，為了提高相鄰兩根錨桿之間聯(lián)鎖保護(hù)作用，在相鄰兩根錨桿之間安裝一根圓鋼托架，圓鋼托架長(zhǎng)度為2.0m，直徑為40mm。

3.3 架設(shè)“L”型鋼棚

（1）為了防止頂板與煤柱之間三角煤柱垮落以及煤壁片幫，待小煤柱加長(zhǎng)錨桿施工完后，在12703回風(fēng)順槽內(nèi)靠近小煤柱側(cè)架設(shè)一排“L”型鋼棚，如圖1所示。

圖1 12703工作面小煤柱聯(lián)合支護(hù)斷面示意圖（mm）

（2）“L”鋼棚主要由頂梁、棚腿及底座組成，頂梁與棚腿之間采用卡纜及支撐架固定連接，鋼棚頂梁長(zhǎng)度為1.5 m，棚腿長(zhǎng)度為3.5 m（回風(fēng)順槽高度），鋼棚間距為2.0 m。頂梁與頂板以及棚腿與煤柱之間分別采用錨桿進(jìn)行固定。棚腿底座采用地錨與堅(jiān)硬底板進(jìn)行固定。

（3）“L”型鋼棚架設(shè)完后，在棚腿與煤柱之間間隙處填塞水泥背板，水泥背板長(zhǎng)度為2.5 m，寬度為0.3 m。

4 應(yīng)用效果

（1）預(yù)留小煤柱回采時(shí)受外界作用力影響，煤柱抗壓能力降低，煤柱出現(xiàn)破碎、片幫現(xiàn)象，需對(duì)其進(jìn)行維護(hù)，煤柱維護(hù)費(fèi)用高，通過(guò)對(duì)12703工作面回風(fēng)順槽側(cè)小煤柱加強(qiáng)支護(hù)發(fā)現(xiàn)，共計(jì)需加強(qiáng)維護(hù)費(fèi)用達(dá)34萬(wàn)元，但是采用小煤柱開(kāi)采時(shí)多回收煤炭量達(dá)7.8萬(wàn)t，經(jīng)濟(jì)效益達(dá)1700余萬(wàn)元，與支護(hù)費(fèi)用相比大大提高經(jīng)濟(jì)效益。

（2）采用注漿技術(shù)對(duì)12703工作面預(yù)留小煤柱進(jìn)行支護(hù)后，煤柱破碎現(xiàn)象得到很大改善，阻止了煤體破碎范圍向深部延伸，提高了破碎煤體膠結(jié)穩(wěn)定性，為錨桿支護(hù)創(chuàng)造了有利條件。

（3）采用加長(zhǎng)錨桿對(duì)小煤柱進(jìn)行支護(hù)時(shí)，錨桿錨固端位于深部穩(wěn)定煤體內(nèi)，提高了錨固質(zhì)量，采用“JW”型鋼帶將其與煤柱預(yù)緊，加強(qiáng)了支護(hù)體與煤柱之間耦合支護(hù)作用，同時(shí)對(duì)相鄰錨桿之間安裝圓鋼托架提高了錨桿間聯(lián)鎖保護(hù)作用，實(shí)際應(yīng)用發(fā)現(xiàn)，小煤柱施工加長(zhǎng)錨桿及圓鋼托架后，在后期回采過(guò)程中未發(fā)生煤壁片幫現(xiàn)象。

（4）通過(guò)施工“L”型鋼棚不僅進(jìn)一步阻止了煤柱片幫，而且有效防止了因外力作用頂板與煤柱之間三角煤柱垮落，同時(shí)架設(shè)“L”型鋼棚后對(duì)頂板起到了支撐作用。架設(shè)鋼棚后在回采期間三角煤柱未發(fā)生局部垮落現(xiàn)象，阻止了鄰近采空區(qū)瓦斯涌出，回風(fēng)順槽瓦斯?jié)舛瓤刂圃?.0%以下；同時(shí)加強(qiáng)了煤柱對(duì)頂板支撐作用，鋼棚架設(shè)后頂板未發(fā)生嚴(yán)重變形現(xiàn)象，局部區(qū)域頂板最大下沉量?jī)H為0.08m。