孤島工作面小煤柱沿空送巷圍巖控制技術探討

王 華

（山西焦煤霍州煤電集團干河煤礦，山西 洪同 041600）

1 工作面概況

干河煤礦2-107工作面北鄰正在回采的2-105工作面，兩工作面之間留有8 m的小煤柱，南為已回采結束的2-116工作面采空區(qū)，2-107工作面則成為孤島工作面。2-1072巷采用留小煤柱沿空送巷，圍巖控制困難。

2-107工作面走向長375 m，傾向長106 m，開采2#煤層，煤層厚度3.8 m，煤層傾角2°～10°。工作面整體為走向S35°E，傾向NE的單斜構造。工作面標高為+176～+212 m，蓋山厚度為328～588 m。煤層直接頂為砂質泥巖，厚度為6.4 m；老頂為細粒砂巖，厚度為1.7 m；直接底為砂質泥巖，厚度為1.1 m；老底為中粒砂巖，厚度為10.6 m。

工作面絕對瓦斯涌出量為0.5～1.0 m3/min，主要水源為煤層上覆的K8、K9砂巖含水，其含水性較弱，涌水量預計為5～10 m3/h。

工作面兩巷為矩形斷面，掘寬5 m，掘高3.8 m，掘進斷面19 m2。

圖1 2-107工作面布置

2 孤島小煤柱留設與圍巖控制

2.1 煤柱留設理論分析

2-1072巷沿2-105采空區(qū)邊緣掘進，存在相向采掘現(xiàn)象。小煤柱護巷，一般煤柱寬度在3～8 m之間，需要考慮采動應力、側向支承應力對巷道支護的影響。根據(jù)采空側向支承壓力分布曲線，該范圍掘送巷道圍巖處于較大的支承壓力帶內，開掘巷道壓力顯現(xiàn)劇烈，需快速及時支護，才能避免過快變形和破壞，支護強度需考慮較大富余系數(shù)，確保巷道變形可控［1-2］。

2.2 煤柱寬度設計

通過建立FLAC3D數(shù)值模型，確定2-105工作面回采后2-1072巷方向的側向垂直應力分布情況，如圖2、表1所示。

圖2 2-105工作面回采后側向支承應力分布情況

從圖2可以看出，2-1072巷原始垂直應力為一條直線，2-105工作面回采后垂直應力為一條變化曲線。2-105工作面回采后采動影響區(qū)域達26 m，距2-105采空區(qū)0～2 m處側向支承應力處于降低區(qū)，2～25 m處側向支撐應力處于升高區(qū)，26 m以外為原巖應力區(qū)。

實體煤至采空區(qū)邊緣距離與集中應力關系如表1所示。

表1 2-105采空區(qū)側向支承應力集中系數(shù)

可見，隨著距采空區(qū)距離的增大，采動引起的應力集中程度先增后減。煤柱寬度選取按照既要保證護巷煤柱及回采巷道的穩(wěn)定，也要節(jié)約煤炭資源提高采區(qū)回采率的原則，確定2-1072巷與2-1051巷間凈煤柱寬度為8 m。

3 孤島小煤柱沿空送巷圍巖控制

基于錨索支護及時、主動的基本原理，結合地質生產條件、已掘巷道現(xiàn)有支護和礦壓顯現(xiàn)情況和工程實踐經(jīng)驗，提出強力長短錨索組合支護系統(tǒng)，外加注漿錨索圍巖補強和錨固增錨措施，以達到有效控制圍巖變形的效果。

3.1 數(shù)值模擬分析

依據(jù)確定的8 m小煤柱尺寸、實際地質條件，采用FLAC3D計算方法建立數(shù)值模型，分析掘進期間2-1072巷的應力分布情況及錨索支護初始設計圍巖的變形，如圖3、圖4所示。

圖3 2-1072巷斷面和支護

圖4 2-1072巷圍巖塑性區(qū)分布特征

（1）巷道表面位移模擬結果：掘進期間巷道頂板最大下沉量54 mm，巷道最大底鼓量59 mm，發(fā)生最大變形位置在巷道頂?shù)装逯胁浚粌蓭鸵平炕鞠嗤?，靠近工作面幫移?8 mm、另一幫移近56 mm，移近量最大處均在兩幫中部。

（2）巷道圍巖塑性區(qū)及錨索受力模擬結果：巷道破壞范圍較大的位置是兩幫，要采取高預緊力、強力支護系統(tǒng)避免幫部破壞加劇。錨索上部處于沒有屈服的巖層中，錨索受力為358 kN，錨索長度及強度選擇較合理。

數(shù)值模擬結果表明，2-1072巷采用強力長短錨索組合支護系統(tǒng)，能夠有效控制巷道表面圍巖的變形。

3.2 圍巖控制技術

（1）圍巖控制注漿錨索機理

中空注漿錨索是集錨索高強錨固與注漿加固圍巖為一體的新型支護形式。一方面錨索安裝后能夠及時施加預緊力，為圍巖提供支護阻力；另一方面通過注漿實現(xiàn)錨索的全長錨固，漿液能擴散固結破碎、松散巖層，提高圍巖的整體性、強度及自承能力［3］。

（2）圍巖控制支護

巷道支護斷面如圖5所示。

圖5 2-1072巷支護設計剖面

a、頂板控制

錨桿布置：采用?22 mm×2 500 mm錨桿配合?12 mm圓鋼加工制作錨梁支護，每排六根布置，間排距800 mm×900 mm。

樹脂錨索布置：采用?21.6 mm×8 200 mm錨索配合W鋼帶支護。每排三根布置，間排距1 600 mm×1 800 mm。

單體中空注漿錨索布置：采用?21.6 mm×7 300 mm單體錨索支護。每排二根布置，間排距為2 400 mm×1 800 mm。與樹脂錨索形成三二布置，二者間隔施工。中空注漿錨索結構如圖6所示。

圖6 中空注漿錨索結構

b、巷幫控制

錨桿布置：采用?22 mm×2 500 mm錨桿配合?12 mm圓鋼加工制作錨梁支護。每排五根布置，間排距800 mm×900 mm。樹脂錨索布置：采用?21.6 mm×5 300 mm錨索配合W鋼帶支護。每排二根布置，間排距1 600 mm×2 400 mm。

（3）技術參數(shù)

錨桿采用一支CKb2340和一支Z2360樹脂錨固劑錨固；樹脂錨索采用兩支CKb2340和三支Z2360樹脂錨固劑錨固；注漿錨索采用兩支CKb2340和一支Z2360樹脂錨固劑錨固，并采用水泥漿液注漿。水泥采用PO.42.5普通硅酸鹽水泥，水灰比0.6～1.0，同時加入10%的ACZ-Ⅰ注漿添加劑，攪拌時間90 s左右。

錨桿扭矩力不低于280 N·m，樹脂錨索張拉預緊力為210 kN，注漿錨索張拉預緊力為150 kN。錨桿配合150 mm×150 mm×8 mm拱形高強壓制碟形托板+調心球墊+減摩墊片支護，錨索配合300 mm×300 mm×14 mm拱形高強錨索托板+鎖具支護。菱形網(wǎng)采用12#鍍鋅鐵絲編織，網(wǎng)孔規(guī)格為50 mm×50 mm，頂網(wǎng)規(guī)格為5 600 mm×1 000 mm，幫網(wǎng)規(guī)格為3 200 mm×1 000 mm。

4 應用情況

為檢驗特殊條件下支護組合技術對圍巖變形的控制，對其動態(tài)支護效果與信息進行跟蹤。結合地質條件及特殊位置，在2-1072巷內以切巷為起點，間隔25～50 m建立8組表面位移監(jiān)測站。各測站監(jiān)測的圍巖蠕動控制變形具體如表2所示。

從表2可知，2-105工作面回采期間，2-1072巷道頂板最大下沉量為340 mm，巷道最大底鼓量在270～430 mm之間，巷道頂板下沉量與底鼓量差別不大，發(fā)生最大變形位置在巷道的頂?shù)装逯胁?；兩幫移近量基本相同，靠近煤柱幫移近量?20～410 mm之間，煤壁幫移近量在140～550 mm之間，移近量最大處均在兩幫中上部及巷道肩角部位。

應用效果表明：

1）2-1072巷應用多種支護組合技術，巷道圍巖收斂量較小，能夠滿足小煤柱留設工作面回采的需要。

2）特殊復雜條件下小煤柱護巷開采，采取長短錨索組合、注漿錨索圍巖補強后，能夠解決巷道變形速度快、圍巖變形量大的難題，達到有效控制巷道過快變形和破壞的效果。

表2 2-1072巷推采過程中表面位移變形量統(tǒng)計

3）特殊復雜條件下煤巷掘進多種支護組合技術應用，能夠減小煤柱尺寸，提高資源回收率，提高礦井經(jīng)濟效益。