孤島工作面窄煤柱沿空掘巷圍巖控制技術(shù)探討

王春健

（霍州煤電集團(tuán)安全管理部，山西 霍州 031400）

近年來，隨著煤礦資源開采強(qiáng)度不斷增大，我國許多礦井面臨煤炭資源短缺的局面，為了有效提高煤炭資源采出率，針對(duì)孤島工作面的開采提上日程?，F(xiàn)有的孤島工作面開采理論及沿空掘巷圍巖控制的系統(tǒng)性問題仍不完善，導(dǎo)致效率效益低下、安全問題凸顯、形勢(shì)日趨嚴(yán)峻[1-3]。

許多研究學(xué)者對(duì)孤島工作面沿空掘巷圍巖穩(wěn)定性進(jìn)行了研究，任偉[3]針對(duì)小常煤業(yè)30222 孤島工作面采用數(shù)值模擬得到了沿空掘巷最小煤柱寬度；張煒[4]針對(duì)孤島工作面窄煤柱沿空掘巷圍巖結(jié)構(gòu)建立力學(xué)模型，分析并優(yōu)化了巷道支護(hù)得到了良好效果；盧文斌[5]針對(duì)孤島工作面采用多重手段研究了窄煤柱的合理寬度及優(yōu)化了沿空掘巷的支護(hù)方式。針對(duì)正利煤業(yè)孤島工作面的開采，需針對(duì)其具體條件進(jìn)行研究，擬定合理的煤柱尺寸及巷道支護(hù)方式，為孤島工作面的安全高效開采提供支持。

1 工程概況

正利煤業(yè)14-1105 工作面為孤島工作面，工作面平面布置如圖1所示，面臨著沿空掘巷的問題，煤柱寬度是影響巷道維護(hù)效果的關(guān)鍵參數(shù)。工作面區(qū)域內(nèi)煤層為4-1煤，埋深450～560 m、 平均515 m，煤厚2.9～3.5 m、平均3.2 m，煤層傾角6°～10°、平均8°，直接頂以泥砂互層、老頂以中細(xì)砂巖為主，頂?shù)装鍘r層賦存情況如表1所示。14-1105 工作面巷道斷面為矩形，開挖斷面寬4.6 m、高3.2 m。

圖1 14-1105 孤島工作面的位置

表1 煤層頂?shù)装鍘r性

2 順槽支護(hù)分析

14-1105 工作面順槽頂板采用“樹脂螺紋鋼錨桿+ 梯子梁+ 鋼絞線錨索+ 鋼筋網(wǎng)” 進(jìn)行聯(lián)合支護(hù)；兩幫均采用“樹脂螺紋鋼錨桿+ 鋼筋網(wǎng)+ 梯子梁+W 鋼帶” 進(jìn)行聯(lián)合支護(hù)。頂幫錨桿規(guī)格：Φ20 mm×2 200 mm，間排距：800 mm×1 000 mm，頂錨索規(guī)格：Φ18.9 mm×6 500 mm，間排距：1 600 mm×2 000 mm，采用三花布置，每隔兩排錨桿布置一根錨索或兩根錨索。頂幫鋼筋網(wǎng)規(guī)格：頂部：長×寬=4 500 mm×1 100 mm；幫部：長×寬=2 200 mm×1 100 mm，采用4#鋼筋制作。頂幫梯子梁規(guī)格：頂部：長×寬=4 300 mm×60 mm；幫部：長×寬=1 800 mm×60 mm，采用14#圓鋼普焊制作。

原來沿空巷道與采空區(qū)之間留設(shè)15 m 煤柱。由于未合理回避礦山壓力，導(dǎo)致沿空掘進(jìn)的巷道變形嚴(yán)重，如圖2所示，極大地影響了井下工作面的安全高效開采。

圖2 巷道頂板及兩幫破壞嚴(yán)重

該礦首采區(qū)屬于典型的中深部、較高應(yīng)力、復(fù)合頂板、較大采高、強(qiáng)采動(dòng)的開采條件。當(dāng)前采用的寬煤柱沿空掘巷以及常規(guī)低效能支護(hù)方式帶來了一系列的問題。礦井即將面臨首采區(qū)南翼最后一個(gè)工作面（即14-1105 孤島工作面、以及14-1104工作面切眼后方殘留區(qū)域）的回采問題，首采區(qū)留設(shè)15 m 區(qū)段煤柱，多條沿空巷道變形都較大，煤柱尺寸留設(shè)合理性存疑，需要進(jìn)一步研究明確?，F(xiàn)有支護(hù)難以應(yīng)對(duì)強(qiáng)礦壓難題，且修復(fù)頻繁，技術(shù)短板凸顯，亟需改進(jìn)。

3 小煤柱寬度分析

當(dāng)沿空掘巷留設(shè)小煤柱時(shí)，煤柱一般位于應(yīng)力降低區(qū)，有利于沿空巷道的穩(wěn)定。但在進(jìn)行窄煤柱留設(shè)時(shí)，沿空掘巷會(huì)引起頂板支承應(yīng)力的重新分布，此時(shí)巷道在掘進(jìn)期間容易發(fā)生嚴(yán)重變形，若窄煤柱留設(shè)寬度不合理，會(huì)導(dǎo)致煤柱失穩(wěn)，巷道難以維護(hù)，因此窄煤柱留設(shè)必須位于工作面煤體支承應(yīng)力的降低區(qū)[4-5]，借鑒其他礦井窄煤柱留設(shè)的工程經(jīng)驗(yàn)，窄煤柱一般留設(shè)寬度宜為3～7 m。

（1）支承壓力峰值點(diǎn)位置

根據(jù)公式計(jì)算支承壓力峰值點(diǎn)距煤幫的距離B 為：

B=15-0.475f0-0.16Rc-0.2α+1.6 m+1.7×10-3H

式中：f0為煤層硬度系數(shù)，取2；Rc為頂板巖石單向抗壓強(qiáng)度，35 MPa；α 為煤層傾角，取8°；m 為采高，3.2 m；H 為煤層深度，取515 m。

將各參數(shù)代入上式算得B=12.8 m，即支承壓力峰值點(diǎn)距煤壁12.8 m。

（2）老頂周期來壓步距

根據(jù)相鄰工作面開采經(jīng)驗(yàn)得到頂板周期來壓步距為10～17.4 m。

（3）工作面應(yīng)力降低區(qū)寬度

工作面采空區(qū)煤體靠近采空區(qū)邊緣會(huì)出現(xiàn)塑性區(qū)，近實(shí)體煤側(cè)為原巖應(yīng)力區(qū)。由極限平衡理論推導(dǎo)公式可知，采空區(qū)煤柱側(cè)向塑性區(qū)寬度可以由下式計(jì)算[4]：

式中：A 為側(cè)壓系數(shù)，取1.5；m 為煤層開采厚度，取3.2 m；φ0為煤體內(nèi)摩擦角，取30°；C 為煤層界面黏聚力，取0.5 MPa；K 為應(yīng)力集中系數(shù)，取2.0；P 為上區(qū)段平巷副幫支護(hù)強(qiáng)度，取0.07 MPa。為巖層重力密度，取0.027 MN/m3；H 為巷道埋深，取515 m。

將以上數(shù)據(jù)帶入上式計(jì)算得x0為12.1 m，考慮沿空掘巷寬度為4.6 m，則可以得到煤柱合理寬度為7.5 m。

（4）巷道應(yīng)力與強(qiáng)度協(xié)同分析

通過分析巷道應(yīng)力可知，采空區(qū)側(cè)向煤體存在應(yīng)力降低區(qū)，但不能過度追求在應(yīng)力降低區(qū)布置巷道及留設(shè)煤柱，因?yàn)閼?yīng)力降低區(qū)本質(zhì)上是因?yàn)槊禾抠Y源采出后上覆頂板巖層垮落卸壓所致，因此應(yīng)力降低區(qū)內(nèi)煤體可能已發(fā)生強(qiáng)度降低、裂隙發(fā)育等情況，越向煤層內(nèi)部，煤體完整性較好，裂隙不發(fā)育，強(qiáng)度較高。

綜上所述，如圖3所示，煤柱寬度宜選擇在方框部分，使巷道不但處于應(yīng)力降低區(qū)，且處于煤體損傷較低的區(qū)域，根據(jù)上述計(jì)算，煤柱尺寸應(yīng)控制在4～7.5 m。

圖3 采空區(qū)側(cè)向煤體應(yīng)力與裂隙度關(guān)系

圖4 煤柱雙向?qū)﹀^

（5）有效錨固體寬度分析

窄煤柱由于煤柱寬度較小，煤柱兩側(cè)煤體易發(fā)生破碎，因此需對(duì)煤柱進(jìn)行雙向錨桿對(duì)拉，煤柱寬度應(yīng)滿足雙向?qū)^桿長度要求。沿空巷道煤幫采用的是直徑20 mm，長度為2 200 mm 的螺紋錨桿支護(hù)，煤柱另一側(cè)應(yīng)采用直徑22 mm，長度為2 800 mm 的錨桿支護(hù)，雙向錨桿對(duì)拉后，應(yīng)在煤柱中心處形成一定的承載核區(qū)，因此，窄煤柱寬度應(yīng)為5～6 m。

通過上述煤柱寬度分析比較，得出的最佳煤柱寬度宜為5～6 m。

4 頂板預(yù)裂卸壓技術(shù)

1）沿空掘巷分析

工作面在推進(jìn)過程中，當(dāng)工作面采空區(qū)推進(jìn)為正方形時(shí)，如圖5所示，上覆頂板關(guān)鍵層易發(fā)生斷裂垮落，造成大范圍的垮落沖擊。因此14-1106工作面回采至工作面寬度的倍數(shù)時(shí)需提前做好礦壓防控措施。為防止發(fā)生較大的礦壓沖擊，因此采取對(duì)沿空掘巷進(jìn)行側(cè)向頂板預(yù)裂卸壓，為沿空巷道提供良好的應(yīng)力環(huán)境。

圖5 工作面見方位置

2）預(yù)裂卸壓技術(shù)

根據(jù)相似工作面頂板預(yù)裂卸壓經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合正利煤業(yè)礦壓觀測(cè)數(shù)據(jù)可以確定以下頂板預(yù)裂卸壓具體技術(shù)參數(shù)。如圖6所示，沿巷道縱向布置卸壓鉆孔，間距為10 m 一個(gè)；鉆孔直徑取75 mm，所有鉆孔均位于頂板，1 號(hào)鉆孔布置于距離巷道實(shí)體煤側(cè)1.5～2 m 處，鉆孔具體參數(shù)如表2所示，終孔高度為25 m。

表2 卸壓鉆孔參數(shù)

圖6 卸壓鉆孔布置

5 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

正利煤業(yè)14-1105 孤島工作面采用如上方案進(jìn)行留設(shè)窄煤柱和頂板預(yù)裂卸壓，在沿空巷道圍巖表面布置測(cè)站，對(duì)巷道圍巖變形進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。通過觀察支護(hù)效果，巷道頂板最大下沉量為143 mm，底鼓量變化不明顯，巷道兩幫最大收斂量132 mm，均在可控范圍之內(nèi)，可以滿足巷道的安全使用。

6 結(jié)語

針對(duì)正利煤業(yè)14-1105 孤島工作面窄煤柱的留設(shè)及沿空掘巷的穩(wěn)定性進(jìn)行了研究分析，得到如下結(jié)論：

1）通過理論分析窄煤柱的穩(wěn)定性，確定最佳煤柱寬度宜為5～6 m。

2）通過分析沿空掘巷的穩(wěn)定性，需采用頂板縱向預(yù)裂卸壓技術(shù)，并擬定預(yù)裂卸壓具體技術(shù)參數(shù)。

3）通過應(yīng)用實(shí)踐和實(shí)時(shí)礦壓監(jiān)測(cè)，采用“留設(shè)窄煤柱+ 頂板預(yù)裂卸壓技術(shù)” 能夠有效保障沿空巷道的安全穩(wěn)定。