松軟窄煤柱圍巖破壞及控制技術(shù)研究

乜盟宰

（晉煤集團(tuán)晟泰青洼煤業(yè)，山西 臨汾 043500）

為節(jié)約煤炭資源，延長(zhǎng)礦井服務(wù)年限，留設(shè)窄煤柱是最常用的方法。目前窄煤柱護(hù)巷正在逐步取代區(qū)段煤柱護(hù)巷，但煤柱過小也影響著掘進(jìn)、回采的安全，窄煤柱寬度的合理確定就成為了眾多學(xué)者爭(zhēng)相研究的課題。窄煤柱受采動(dòng)、掘進(jìn)擾動(dòng)等影響，應(yīng)力重新分布，若煤柱受破壞，頂板承載能力變?nèi)?，?huì)導(dǎo)致圍巖應(yīng)力向采空區(qū)側(cè)轉(zhuǎn)移[1-2]，壓垮煤柱，影響煤礦安全生產(chǎn)。因此，應(yīng)在保證巷道穩(wěn)定的前提下，確定窄煤柱寬度。

1 工程概況

晟泰公司青洼煤業(yè)2104 工作面開采煤層為2號(hào)煤，煤層中夾0～1層夾矸，傾角為5～7°，平均6°，硬度f=2.7～3.2，煤層平均厚度為4.66 m，穩(wěn)定可采?；卷敒槟鄮r，厚度3.25 m；直接頂為粉砂巖，厚度4.0 m；直接底為泥巖，厚度1.5 m；基本底為粉砂巖，厚度7.0 m。2104 綜放工作面北部為相鄰煤礦采空區(qū)，南部為2103 采空區(qū)，中間留有窄煤柱巷道。布置如圖1 所示。

圖1 巷道布置圖

2 綜放沿空巷道圍巖變形狀況

2014 綜放面西部為相鄰礦井采空區(qū)，20141 巷在掘進(jìn)過程中，易受2103 面采動(dòng)、覆巖運(yùn)動(dòng)影響。20141 巷沿巷道底板掘進(jìn)，凈寬4.0 m，凈高2.6 m，凈斷面積10.40 m2，采用高強(qiáng)度螺紋鋼錨桿、錨索、金屬/塑料網(wǎng)、鋼筋托梁聯(lián)合支護(hù)。為研究綜放沿空巷道圍巖變形規(guī)律，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)及查閱相關(guān)地質(zhì)資料，得出該礦窄煤柱留設(shè)難點(diǎn)：

（1）煤體酥軟，承載力差

2#煤為松軟煤層，煤體硬度系數(shù)f=2.7～3.2，抗壓強(qiáng)度為6.9 MPa 左右，煤體穩(wěn)定性差。20141 巷沿煤層底板掘進(jìn)，留頂煤約2 m，圍巖具有流變特性，且受采動(dòng)及采空區(qū)應(yīng)力分布影響煤體較破碎，存在鋼筋托梁變形、頂板離層甚至冒頂?shù)娘L(fēng)險(xiǎn)。

（2）構(gòu)造應(yīng)力突出

2104 工作面南部發(fā)育有正斷層F11，傾角60～75°，落差約8～9 m，構(gòu)造應(yīng)力呈現(xiàn)水平方向，對(duì)工作面開采有一定影響。由于煤體承載能力弱，構(gòu)造應(yīng)力向兩幫傳遞，尤其是煤柱側(cè)，使直接頂向兩幫滑移，煤柱側(cè)幫部及頂角形變量較大，呈現(xiàn)不對(duì)稱變形，整體向內(nèi)擠出，煤體破碎，易出現(xiàn)幫鼓現(xiàn)象。

3 綜放窄煤柱巷道方案設(shè)計(jì)

3.1 優(yōu)化支護(hù)參數(shù)

原支護(hù)參數(shù)：頂部支護(hù)為錨桿、錨索聯(lián)合支護(hù)，每排6 根錨桿，間排距700×800 mm，單體錨索為“2-1-2”布置；幫部采用錨桿支護(hù)，錨桿每排4 根，間排距700×800 mm；用金屬菱形網(wǎng)護(hù)頂、幫。如圖2 所示。

圖2 優(yōu)化后支護(hù)參數(shù)

優(yōu)化支護(hù)參數(shù)：增加預(yù)應(yīng)力桁架系統(tǒng)，每個(gè)系統(tǒng)由2 根桁架錨索與一個(gè)連接鎖緊器組成。桁架錨索為“2-0-2”布置，普通單體錨索型號(hào)為SKP17.8-1/1860-7300，但鉆孔深度不同，桁架錨索孔深6 m，通過桁架錨索連接鎖緊器連接長(zhǎng)度為1.3 m。

3.2 煤柱寬度留設(shè)

國(guó)內(nèi)沿空掘巷窄煤柱留設(shè)寬度一般在3～6 m。窄煤柱一般處于相鄰采空區(qū)形成的破裂區(qū)和塑性區(qū)之間，巷道開掘后塑性區(qū)向深部轉(zhuǎn)移。為保證巷道穩(wěn)定，需堅(jiān)持以下原則：（1）盡量將巷道布置在應(yīng)力降低區(qū)域，避免應(yīng)力集中，保證巷道穩(wěn)定；（2）在保證安全的前提下，減小煤柱寬度，降低煤炭資源損耗，提高資源回收率；（3）煤柱寬度要大于錨桿有效錨固范圍，并留有富足寬度[3]。

采用數(shù)值模擬的方法分析煤柱寬度留設(shè)，建立以2103 采空區(qū)及沿空巷道為模型的數(shù)值模擬。模型尺寸為155×470×100 mm，模型上部施加7.3 MPa 的載荷，并約束水平方向、垂直方向位移，模擬2103工作面的回采及側(cè)向支承應(yīng)力對(duì)21041 巷的影響。

在采空區(qū)范圍內(nèi)布置2 條測(cè)線，監(jiān)測(cè)采空區(qū)中部及邊界應(yīng)力變化。由圖3 可知，在2103 采空區(qū)邊緣約5 m 處支承應(yīng)力達(dá)到最小值（1#測(cè)線約1.5 MPa，2#測(cè)線約0.9 MPa），隨后隨著煤柱距離越大，支承應(yīng)力逐漸增大，在距采空區(qū)邊緣80 m 處基本達(dá)到穩(wěn)定值（1#測(cè)線約7.2 MPa，2#測(cè)線約6.7 MPa），并接近原巖應(yīng)力7.3 MPa。由此可知，位于采空區(qū)5 m范圍左右，此時(shí)處于應(yīng)力降低區(qū)。

圖3 應(yīng)力分布圖

根據(jù)2103 工作面回采礦壓觀測(cè)數(shù)據(jù)及側(cè)向支承壓力分布規(guī)律，結(jié)合經(jīng)驗(yàn)類比法，煤柱寬度設(shè)計(jì)應(yīng)在5 m 左右。此時(shí)窄煤柱內(nèi)支承應(yīng)力較低，煤柱具有一定承載力。

3.3 注漿加固

為提高窄煤柱承載力，采取注漿措施充填煤層裂隙，使幫部圍巖形成整體，改善圍巖應(yīng)力，提高幫部圍巖自承載力[4]。注漿孔每次施工2 個(gè)，在掌面距頂板2 m 處鉆孔，鉆孔眼距為3 m，距幫1 m，孔深3m。每掘進(jìn)3 m 注漿一次。注漿材料為聯(lián)邦加固Ⅰ號(hào)（雙液），正常注漿水灰比0.8:1，漏漿嚴(yán)重時(shí)可適當(dāng)減低水灰比，最低控制在0.7:1，漿壓力6～8 MPa?，F(xiàn)場(chǎng)施工時(shí)采用低壓低流緩慢注漿工藝。當(dāng)漏漿嚴(yán)重時(shí)，應(yīng)適當(dāng)降低注漿壓力。

4 巷道圍巖觀測(cè)

（1）測(cè)點(diǎn)布置

為掌握煤柱內(nèi)部應(yīng)力變化，對(duì)窄煤柱進(jìn)行鉆孔應(yīng)力監(jiān)測(cè)，共布置7個(gè)測(cè)點(diǎn)，7個(gè)測(cè)點(diǎn)深度分別為1 m、1.5 m、2 m、2.5 m、3 m、3.5 m、4 m，測(cè)點(diǎn)間距為5 m。

（2）礦壓觀測(cè)分析

圖4 2103 回采過程中煤柱應(yīng)力變化圖

由圖4 可知，沿工作面走向，隨著2103 工作面的推進(jìn)，相對(duì)垂直應(yīng)力也在變化，在60～24.5 m變化值不大，應(yīng)力峰值區(qū)域基本在10.5～16 m 范圍，此后應(yīng)力隨著工作面推進(jìn)距測(cè)點(diǎn)的距離減小而減小，說明2013 工作面超前影響范圍在24.5 m。沿工作面傾向，窄煤柱內(nèi)垂直應(yīng)力變化隨測(cè)點(diǎn)距煤柱幫距離的變化而變化，峰值基本出現(xiàn)在2.5 m 范圍處，5 m 煤柱應(yīng)力分布較均勻，承載力較強(qiáng)[5]。

5 結(jié)論

（1）模擬2103 工作面的回采及側(cè)向支承應(yīng)力對(duì)21041 巷的影響。隨著煤柱距離越大，采空區(qū)支承應(yīng)力逐漸增大，距采空區(qū)邊緣約5 m 處為支承應(yīng)力降低區(qū)，并確定采用5 m 窄煤柱護(hù)巷。

（2）針對(duì)青洼煤業(yè)松軟窄煤柱巷道煤體酥軟、承載力差、構(gòu)造應(yīng)力突出的難點(diǎn)，采取錨網(wǎng)支護(hù)、桁架錨索補(bǔ)強(qiáng)、煤柱幫部高壓注漿等圍巖控制技術(shù)措施后，5 m 窄煤柱承載能力增強(qiáng)，巷道圍巖完整性良好。