小煤柱孤島工作面回采巷道支護(hù)技術(shù)研究

吳鵬飛

（晉能控股煤業(yè)集團(tuán)正明煤業(yè)， 山西 左權(quán) 032699）

1 做好工作面回采巷道支護(hù)的意義

通過(guò)大量煤礦開(kāi)采實(shí)例可以發(fā)現(xiàn)，我國(guó)多數(shù)煤礦開(kāi)采都在地下進(jìn)行，因此，在煤礦開(kāi)采時(shí)，要在井下進(jìn)行大量巷道掘進(jìn)，通過(guò)建設(shè)巷道方式確保巷道順暢，保證圍巖穩(wěn)定，這對(duì)煤礦開(kāi)采以及生產(chǎn)穩(wěn)定性都發(fā)揮著重要作用。

煤礦開(kāi)采期間，進(jìn)行巷道支護(hù)的核心目的就是減少或緩和圍巖移動(dòng)情況，避免在煤礦開(kāi)采時(shí)，巷道斷面過(guò)度縮小，同時(shí)，也能夠避免已經(jīng)發(fā)生破壞和離散的圍巖發(fā)生冒落現(xiàn)象[1]。煤礦開(kāi)采期間，巷道整體支護(hù)效果會(huì)受到不同因素影響，不僅受支架自身支撐力影響，而且還會(huì)受到支架力學(xué)性質(zhì)、圍巖性質(zhì)、支架安設(shè)時(shí)間、密度、質(zhì)量，以及安裝的支架之間與巷道圍巖的接觸方式等各項(xiàng)因素影響，在進(jìn)行巷道支護(hù)時(shí)，要對(duì)上述各項(xiàng)問(wèn)題進(jìn)行探討，確保支護(hù)效果能夠達(dá)到預(yù)期，避免發(fā)生安全事故[2]。一般來(lái)說(shuō)，為了確保安裝巷道支架在調(diào)節(jié)圍巖變形和控制方面都能夠起到支持作用，要在圍巖松動(dòng)，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(xié)作，從而發(fā)揮出承載作用。而不是在圍巖發(fā)生破壞、松散，完全喪失自承力后再利用支架承擔(dān)冒落巖石塊[3]?？偠灾?，就是讓支架與圍巖相互配合，兩者共同作用，實(shí)現(xiàn)對(duì)巷道的保護(hù)，避免發(fā)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(qū)北翼，工作面西側(cè)2137 采空區(qū)與東側(cè)2133 采空區(qū)都完成了回采作業(yè)。2135 進(jìn)風(fēng)巷與2137 工作面采空區(qū)區(qū)段預(yù)留了5.8 m 窄小煤柱，回風(fēng)巷與2135 采空區(qū)預(yù)留了25 m 煤柱。

2135 工作面煤層賦存標(biāo)高在638.5～713.8 m，煤層厚度集中在2.1～2.4 m。對(duì)工作面斜長(zhǎng)度為188.5 m，可以進(jìn)行煤礦開(kāi)采的長(zhǎng)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(zhì)泥巖；偽頂厚度主要集中在0.16 m，以砂質(zhì)泥巖為主；直接頂厚度在3.88 m，以粉砂泥質(zhì)巖，2135 工作面在開(kāi)采時(shí)，原支護(hù)方案采取錨、網(wǎng)、索、梁相互結(jié)合方式支護(hù)。

3 分析工作面頂板具體結(jié)構(gòu)

3.1 觀測(cè)2135 工作面變形情況

在煤礦開(kāi)采過(guò)程中，對(duì)2135 工作面小煤柱孤島工作面圍巖情況進(jìn)行全面觀察，通過(guò)觀察，可以確定2135 工作面具有如下特點(diǎn)：

1）在掘進(jìn)2135 工作面期間發(fā)生了應(yīng)力集中問(wèn)題，而且應(yīng)力集中會(huì)持續(xù)較長(zhǎng)時(shí)間。相關(guān)工作人員對(duì)現(xiàn)場(chǎng)情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)，獲取到了大量監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，在進(jìn)行巷道掘進(jìn)60 d 內(nèi)，巷道的兩幫和頂?shù)装宥及l(fā)生了較為嚴(yán)重的變形問(wèn)題，其中兩幫變形與底板變形相比較為嚴(yán)重，前者變形約為后者的兩倍左右。同時(shí)，還出現(xiàn)了底鼓情況，并且會(huì)發(fā)生不均勻隆起問(wèn)題，在煤礦開(kāi)采期間，巷道靠采空區(qū)側(cè)底板發(fā)生了較為嚴(yán)重變形問(wèn)題，這也對(duì)工作面開(kāi)采作業(yè)安全性、穩(wěn)定性都造成了較為嚴(yán)重影響。

2）進(jìn)行2135 工作面回采期間，圍巖應(yīng)力顯現(xiàn)十分劇烈，而且巷道頂幫發(fā)生了較大位移現(xiàn)象。在煤礦開(kāi)采時(shí)，受2135 工作面回采影響，進(jìn)風(fēng)巷發(fā)生了支承壓力和采動(dòng)應(yīng)力疊加問(wèn)題，這也就導(dǎo)致5.8 m 區(qū)段煤柱出現(xiàn)了應(yīng)力集中問(wèn)題，在煤礦開(kāi)采時(shí)，巷道出現(xiàn)了底鼓，同時(shí)，頂板也發(fā)生了嚴(yán)重下沉，以及巷幫位移較大等各項(xiàng)問(wèn)題。對(duì)巷道整體情況進(jìn)行觀察可以發(fā)現(xiàn)，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(diǎn)

隨著2135 工作面回采作業(yè)的不斷深入，2135 工作面基本頂從初次垮落發(fā)展到周期性改變。對(duì)2135工作面中情況進(jìn)行觀察可以發(fā)現(xiàn)，巖層斷裂區(qū)域內(nèi)存在巖石深入到區(qū)段煤柱上方，而且?guī)r石在下沉期間發(fā)生了旋轉(zhuǎn)，這也就導(dǎo)致區(qū)域短內(nèi)煤柱應(yīng)力狀態(tài)會(huì)發(fā)生改變，這會(huì)對(duì)小區(qū)段工作面回采巷道圍巖應(yīng)力造成一定影響，可能會(huì)引起事故，導(dǎo)致煤礦開(kāi)采作業(yè)無(wú)法順利進(jìn)行[5]。從大量煤礦開(kāi)采情況來(lái)看，窄小煤柱通常都位于殘余支承應(yīng)力峰值下，受巷道掘進(jìn)影響，這會(huì)對(duì)窄小煤柱造成一定影響發(fā)生破壞而被卸載，受巷道掘進(jìn)因素影響，這會(huì)導(dǎo)致2135 工作面內(nèi)的巖石應(yīng)力狀態(tài)重新分布，而煤柱在開(kāi)采期間承受到較大壓力影響，巷道方向?qū)?huì)發(fā)生側(cè)向移動(dòng)；區(qū)段巷道煤柱靠采空區(qū)側(cè)煤體，受應(yīng)力集中彈性狀態(tài)影響，會(huì)出現(xiàn)塑性流和較發(fā)育的裂隙[6]。在煤礦開(kāi)采過(guò)程中，小煤柱遇到外力發(fā)生破壞，會(huì)保持塑性流變狀態(tài)，巷道形成圍巖之后，在較長(zhǎng)一段時(shí)間都會(huì)發(fā)生持續(xù)變形問(wèn)題，對(duì)后續(xù)煤礦開(kāi)采作業(yè)會(huì)造成一定影響。2135 工作面頂板巖層在開(kāi)采期間會(huì)發(fā)生運(yùn)動(dòng)，兩側(cè)采空區(qū)會(huì)對(duì)回采巷道造成一定影響，會(huì)形成殘余支撐壓力，這會(huì)使2135 工作面巷道圍巖應(yīng)力集中，從而使巷道發(fā)生嚴(yán)重變形問(wèn)題，進(jìn)而使原本留設(shè)的5.8 m 小煤柱進(jìn)風(fēng)巷發(fā)生更加嚴(yán)重的變形問(wèn)題。

3.3 分析小煤柱受力情況

依據(jù)煤礦開(kāi)采實(shí)際經(jīng)驗(yàn)可以發(fā)現(xiàn)，在進(jìn)行2135工作面回采作業(yè)時(shí)，引起支撐應(yīng)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(yīng)力最大影響距離。在2135 工作面回采期間，受采動(dòng)影響，會(huì)導(dǎo)致煤柱兩側(cè)支撐壓力發(fā)生疊加現(xiàn)象，這將會(huì)導(dǎo)致煤柱中部荷載在短時(shí)間內(nèi)快速加大，這將會(huì)使煤柱塑流動(dòng)，在該狀態(tài)下，會(huì)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(huì)發(fā)生失穩(wěn)問(wèn)題，進(jìn)而會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重變形現(xiàn)象。

4 回采巷道支護(hù)方案優(yōu)化

4.1 確定巷道支護(hù)參數(shù)

分析巷道頂板特點(diǎn)和圍巖應(yīng)力具體情況，隨著回采孤島工作面不斷深入，將會(huì)導(dǎo)致煤柱內(nèi)部出現(xiàn)裂縫，受應(yīng)力集中影響，這會(huì)導(dǎo)致圍巖發(fā)生錯(cuò)動(dòng)、離層、裂隙變大等非連續(xù)變形問(wèn)題，危害巨大。小煤柱孤島工作面巷道在煤礦開(kāi)采過(guò)程中的穩(wěn)定性主要在巷道兩幫和頂板控制。在加固回采巷道，應(yīng)提高煤幫整體支護(hù)強(qiáng)度以及圍巖支撐能力，以免在煤礦開(kāi)采時(shí)，由于煤柱變形而發(fā)生頂板離層問(wèn)題，確保巷道變形均勻，以免發(fā)生非均勻變形，而引發(fā)事故[7]。工作人員在具體作業(yè)開(kāi)展期間，采用礦用數(shù)碼鉆孔成像測(cè)試觀測(cè)2135 進(jìn)風(fēng)巷道圍巖具體變化情況，為了通過(guò)觀測(cè)能夠獲取到精準(zhǔn)數(shù)據(jù)，要將觀測(cè)點(diǎn)選在距離臨近采空區(qū)停線105 m 處，通過(guò)觀察可以發(fā)現(xiàn)，采空區(qū)側(cè)煤幫1.58 m 范圍內(nèi)裂隙發(fā)育；巷道頂板1.48 m內(nèi)裂隙發(fā)育；回采側(cè)煤幫1.37 m 內(nèi)裂隙發(fā)育。該測(cè)點(diǎn)并未受到2135 工作面回采作業(yè)影響，在具體開(kāi)采作業(yè)時(shí)，采取頂板錨桿支護(hù)方式進(jìn)行保護(hù)，能夠起到保護(hù)效果。以此作為推測(cè)依據(jù)，受工作面回采影響，工作面超前范圍內(nèi)2135 進(jìn)風(fēng)巷道頂幫變形量會(huì)增加。

4.2 設(shè)計(jì)煤礦巷道支護(hù)方案

1）在進(jìn)行煤礦支護(hù)時(shí)，在巷道中要加設(shè)一個(gè)錨索，新增加的錨索與原巷道頂板支護(hù)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(zhǎng)度為520 cm；靠采空區(qū)側(cè)煤幫采用鋼絞線錨索，公稱直徑為18.2 mm，長(zhǎng)度為360 cm，每排設(shè)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(nèi)，在進(jìn)行密集點(diǎn)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(nèi)，同時(shí)，要在采空區(qū)布置巷道煤幫處設(shè)置兩個(gè)單體，通過(guò)這種設(shè)置方式，能夠使巷道整體承載能力得到進(jìn)一步提高，避免在煤礦開(kāi)采時(shí)發(fā)生事故，造成巨大經(jīng)濟(jì)損失，以及人員傷亡。

4.3 回采巷道支護(hù)效果分析

在煤礦開(kāi)采期間，為了驗(yàn)證小煤柱孤島工作面回采巷道支護(hù)效果，要在2135 進(jìn)風(fēng)巷距85 m 位置處進(jìn)行觀測(cè)點(diǎn)設(shè)置，具體觀測(cè)作業(yè)主要針對(duì)頂?shù)装逦灰屏浚瑤筒繃鷰r變形情況進(jìn)行全面觀測(cè)，圍巖變形結(jié)果如表1 所示。

通過(guò)表1 中數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，從自測(cè)點(diǎn)觀測(cè)日到推進(jìn)到采煤工作面，兩幫圍巖發(fā)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(hù)之前相比，減少明顯，能夠滿足煤礦開(kāi)采作業(yè)需求。

表1 圍巖變形結(jié)果

5 結(jié)語(yǔ)

2135 進(jìn)風(fēng)巷受工作面回采影響，會(huì)造成采空區(qū)側(cè)小煤柱應(yīng)力集中降低，巷道圍巖在煤礦開(kāi)采過(guò)程中會(huì)發(fā)生較為嚴(yán)重的變形問(wèn)題，并且靠近采空區(qū)側(cè)巷道頂板和煤幫都會(huì)發(fā)生嚴(yán)重變形問(wèn)題，通過(guò)合理方式進(jìn)行支護(hù)，能夠提高小煤柱孤島工作面回采巷道穩(wěn)定性，減少維護(hù)量，在確保煤礦開(kāi)采作業(yè)安全基礎(chǔ)上，提高經(jīng)濟(jì)效益。