綜采面小煤柱留巷支護(hù)設(shè)計(jì)研究

＊王軒揚(yáng)

（山西汾西宜興煤業(yè)有限責(zé)任公司 山西 032300）

綜采面護(hù)巷煤柱寬度直接關(guān)系到煤炭采收率、巷道穩(wěn)定性，因而本次研究結(jié)合煤礦工程地質(zhì)條件，重點(diǎn)對(duì)8102綜采面小煤柱沿空掘巷頂板控制、開(kāi)采加以研究，以便確保綜采面運(yùn)輸巷道支護(hù)設(shè)計(jì)的可行性、合理性，更好地維護(hù)企業(yè)方面的經(jīng)濟(jì)效益。

1.工程基本情況分析

以8102工作面采煤層為例，19#煤層厚度在8.25m左右，上段煤層厚度、泥巖厚度、高嶺巖厚度、下段煤層厚度分別約為：3.5m、0.42m、1.45m、2.36m。19#煤層南I輔助盤(pán)區(qū)8102工作面的斜長(zhǎng)、煤層傾角分別為：940m、5°。

2.煤柱尺寸留設(shè)計(jì)算方案的確定

以往，綜采工作面留設(shè)護(hù)巷煤柱寬度約為32m，為降低煤炭造成的損失，確?；夭擅娌墒章?，建議在5102巷使用沿空掘巷的形式進(jìn)行布置，相近采空區(qū)壓實(shí)處理。數(shù)值模擬主要對(duì)護(hù)巷煤柱寬度加以研究、分析，能夠通過(guò)適合的方法處理，建議使用FLAC-3D軟件進(jìn)行各個(gè)沿空掘巷煤柱尺寸巖層移動(dòng)特征的分析，然后從中選出最適合方案。聯(lián)系礦井生產(chǎn)狀況來(lái)看，煤柱尺寸共有3～12m幾個(gè)方案，每個(gè)方案的尺寸比上一個(gè)方案高2m，經(jīng)計(jì)算結(jié)果可以了解到上述方案塑性區(qū)域、應(yīng)力分布以及所造成巖層移動(dòng)的結(jié)果比較差異較小，煤柱尺寸過(guò)小條件下沿空掘巷圍巖變形非常大，處于應(yīng)力集中/高應(yīng)力煤柱較小條件下，利于提高工作面回采巷道的穩(wěn)定性。使用大煤柱方案處理，開(kāi)采初期圍巖變形幾率比較小，然而隨著開(kāi)采的深入推進(jìn)，因巷道兩側(cè)應(yīng)力集中加大、煤柱及煤幫為高應(yīng)力條件下，故而會(huì)使得巷道兩幫、底板變形率升高，此時(shí)則會(huì)對(duì)巷道的穩(wěn)定性構(gòu)成不利的影響[2]。針對(duì)于此，需順著采空區(qū)布置5m煤柱開(kāi)采作業(yè)，進(jìn)而提高煤炭開(kāi)采量，達(dá)到生產(chǎn)的需要。

3.小煤柱留巷道圍巖控制基本原理

小煤柱巷道掘進(jìn)前，采空區(qū)四周順著傾斜方向煤體內(nèi)應(yīng)力分布情況可見(jiàn)，小煤柱巷道掘進(jìn)位置處于殘余支撐壓力峰值，巷道掘進(jìn)后窄煤柱受到外界作用發(fā)生破壞的概率加大，而且會(huì)造成煤柱——巷道移動(dòng)的現(xiàn)象[3]。巷道一側(cè)煤體經(jīng)原承受高壓彈性區(qū)——破裂區(qū)和塑性區(qū)發(fā)生變化，這時(shí)支撐壓力于煤體深處轉(zhuǎn)移，煤體經(jīng)巷道的方向出現(xiàn)位移情況。窄煤柱巷道于巷道掘進(jìn)過(guò)程中處于高速變形的狀態(tài)，頂板下沉、底板鼓起問(wèn)題比較突出。需要注意的是，巷道壓力來(lái)源于小煤柱一側(cè)，因小煤柱受損嚴(yán)重，對(duì)頂板支撐的作用較小，同時(shí)巷道跨度、懸頂距離加大，故而使得小煤柱巷道圍巖變形的可能性加大。這說(shuō)明，煤柱側(cè)巷幫為加強(qiáng)支護(hù)主要位置，需要認(rèn)真做好這一位置變形控制工作。

4.綜采面運(yùn)輸巷道支護(hù)設(shè)計(jì)及監(jiān)測(cè)要點(diǎn)

(1)錨桿支護(hù)方案設(shè)計(jì)要點(diǎn)

5102巷順著19#煤層底板掘進(jìn)，巷道的寬度、上幫高度、下幫高度分別為：3.5m、3.2m、2.6m，因19#煤層埋深約為185m，所以巷道支護(hù)的過(guò)程可使用錨桿+金屬網(wǎng)+梯子梁作業(yè)。綜采面運(yùn)輸巷支護(hù)相關(guān)參數(shù)分析：①頂板支護(hù)結(jié)構(gòu)、間排距、規(guī)格、支護(hù)參數(shù)最小預(yù)緊力、最小錨固力、材料分別為：錨桿、900mm×900mm、φ20mm×2200mm、28kN、125kN、無(wú)縱筋左旋螺紋鋼；②支護(hù)結(jié)構(gòu)、間排距、規(guī)格、支護(hù)參數(shù)最小預(yù)緊力、最小錨固力、材料分別為：錨桿、880mm×880mm、φ20mm×2200mm、28kN、125kN、無(wú)縱筋左旋螺紋鋼；③下幫支護(hù)結(jié)構(gòu)、間排距、規(guī)格、支護(hù)參數(shù)最小預(yù)緊力、最小錨固力、材料分別為：錨桿、800mm×880mm、φ20mm×2200mm、28kN、125kN、無(wú)縱筋左旋螺紋鋼。

(2)注漿加固方案設(shè)計(jì)要點(diǎn)

注漿加固，即為將滲透性較佳漿液經(jīng)裂隙主導(dǎo)破碎煤體，然后借助漿液密室、骨架的作用，使得破碎煤體連接形成完整整體，以此完善煤體性能，提高承載力[4]。注漿加固使用的為水、硅酸鹽水泥及固化劑TWK-2,3者的比例為：0.6:1:1.2。與此同時(shí)，將注漿壓力設(shè)定在1.2MPa左右，這個(gè)過(guò)程考慮到注漿鉆孔施工，煤柱為5m，明確注漿鉆孔深度后在上部、下部分別設(shè)置注漿鉆孔開(kāi)孔，和巷道頂板、底板的距離為550mm。

(3)頂板下沉監(jiān)測(cè)要點(diǎn)

巷道掘進(jìn)、4823綜采面推進(jìn)的過(guò)程，需對(duì)頂板下沉量作以觀測(cè)，通過(guò)觀測(cè)數(shù)據(jù)可見(jiàn)，4823回采運(yùn)輸巷頂板總體下沉量非常小，巷道掘進(jìn)1周左右巷道頂板離層速度在每日1.5mm左右，然后巷道頂板離層速度下降4周左右保持比較穩(wěn)定的狀態(tài)。巷道掘進(jìn)時(shí)巷道頂板累積下沉量在22mm左右，可以提高巷道的穩(wěn)定性。4823綜采工作面回采1周左右因回采面、頂板離層儀的距離不會(huì)很近，所以不能很好地顯示出頂板的下沉量參數(shù)變化。綜采面持續(xù)推進(jìn)，巷道頂板上部巖層受到采動(dòng)因素所影響發(fā)生下沉現(xiàn)象，下沉量約為每日5mm，到回采面推進(jìn)的時(shí)間約為4周，巷道頂板下沉量在125m左右。在此之后，巷道頂板下沉量增加數(shù)值有一定變化，待8周后達(dá)到頂板離層布設(shè)位置，這時(shí)頂板下沉量約為190mm。

(4)兩幫變形量監(jiān)測(cè)要點(diǎn)

4823綜采面運(yùn)輸巷掘進(jìn)、綜采面工作面開(kāi)采巷道兩幫變形量監(jiān)測(cè)發(fā)現(xiàn)，該綜采面運(yùn)輸巷沿空掘巷的時(shí)候，巷道兩幫變形參數(shù)較小，2周內(nèi)變形量約為120mm，然后巷道兩幫變形量處于穩(wěn)定的狀態(tài)。綜采面回采前小煤柱注漿作業(yè)完成，漿液強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)范圍，這時(shí)小煤柱幫因受到注漿密實(shí)、骨架支承因素影響，所以小煤柱側(cè)變形量在45mm左右，不會(huì)很大。實(shí)體煤幫回采面、巷幫測(cè)點(diǎn)間間隔較小，這時(shí)圍巖變形量較大，直至綜采面推進(jìn)8周，實(shí)體煤幫變形量約為0.8m。由此可見(jiàn)，使用錨桿、注漿加固技術(shù)處理，有助于避免發(fā)生巷道圍巖變形的現(xiàn)象[5]。錨桿支護(hù)、錨索支護(hù)時(shí)，會(huì)使用到鋼筋托梁、金屬網(wǎng)及錨索托板等，為促使錨桿、錨索間達(dá)到支護(hù)系統(tǒng)讓壓需要，應(yīng)該聯(lián)系錨桿錨索受力、屈服強(qiáng)度，將頂板、巷幫支護(hù)分別在錨桿部位安裝，焊接鋼筋托梁以便為順利進(jìn)行錨桿安裝奠定基礎(chǔ)。

(5)巷道底板變形監(jiān)測(cè)要點(diǎn)

4823綜采面運(yùn)輸巷掘進(jìn)階段，底鼓量不會(huì)很大，而且隨著綜采面推進(jìn)，因巷道底板為泥巖，巷道底板發(fā)生變形情況的概率加大，這時(shí)底板最大底鼓量約為1.3m，為促使巷道得到合理運(yùn)用應(yīng)作以起底處理。

(6)頂板離層監(jiān)測(cè)要點(diǎn)

為更好地對(duì)巷道頂板離層實(shí)行監(jiān)測(cè)，建議對(duì)所有斷面頂板巷中合理布設(shè)頂板離層儀，數(shù)量為28個(gè)。以離層儀監(jiān)測(cè)角度分析發(fā)現(xiàn)，絕大多數(shù)深部離層儀離層數(shù)值呈“0”的狀態(tài)，前部離層儀存在一定數(shù)值，需控制在安全的范圍。離層儀監(jiān)測(cè)結(jié)果中錨桿支護(hù)方案的確定，可以確保頂板的穩(wěn)定性，頂板位置無(wú)離層。局部構(gòu)造區(qū)域顯現(xiàn)頂板為裂隙發(fā)育，經(jīng)減小錨桿排距、錨索補(bǔ)強(qiáng)等相關(guān)對(duì)策處理，可有效保障圍巖穩(wěn)定性。以巷道頂板離層監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)，巷道頂板圍巖未產(chǎn)生嚴(yán)重變形，巷道頂板圍巖安全、穩(wěn)定，可以為巷道的正常應(yīng)用提供良好支持[6]。

(7)錨桿受力監(jiān)測(cè)要點(diǎn)

為確保錨桿、錨索支護(hù)構(gòu)件保持受力的狀態(tài)，應(yīng)該按要求安裝錨桿及錨索測(cè)力計(jì)，對(duì)錨桿及錨索構(gòu)件受力情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)。錨桿初始受力＞15kN、錨桿最大受力＞30kN，待錨桿加預(yù)緊力后受力有所改變，因而需及時(shí)進(jìn)行巷道支護(hù)作業(yè)，以便嚴(yán)格控制巷道圍巖變形情況的發(fā)生。錨索高預(yù)緊力后，巷道開(kāi)挖在28m左右，初始力會(huì)發(fā)生不同程度變化，28m后錨索受力穩(wěn)定，縱觀各方面來(lái)觀察巷道支護(hù)施行加強(qiáng)錨桿支護(hù)、錨索支護(hù)，不會(huì)致使巷道圍巖發(fā)生過(guò)大的受力改變。

(8)巷道支護(hù)加固施工監(jiān)測(cè)要點(diǎn)

加固施工的過(guò)程要求相關(guān)工作人員使用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)支護(hù)加固方式支護(hù)防御，將混凝土支柱、煤壁距離設(shè)置為1800mm左右，支柱中心排列距離控制在1850mm左右。除此之外，應(yīng)該實(shí)行注漿相關(guān)數(shù)據(jù)參數(shù)的備注工作，旨在提高加固樁柱穩(wěn)定性，將注漿土泵、管道、基礎(chǔ)構(gòu)架于部件，如：將混凝土泵運(yùn)輸傳輸量控制在每小時(shí)20m3左右，混凝土泵壓強(qiáng)控制在5MPa左右，避免出現(xiàn)防爆電機(jī)燒毀的問(wèn)題。工程建設(shè)期間遵循工作流程操作、管理，堅(jiān)持事中事后同時(shí)監(jiān)管的原則處理，如：施工前期可評(píng)判施工方案是否合理，以便及時(shí)排除存在的安全隱患。在灌漿加固時(shí)合理運(yùn)用相關(guān)工藝技術(shù)，加大巷道支護(hù)系統(tǒng)的應(yīng)用范圍，以安全防護(hù)為主作業(yè)，進(jìn)而確保工程施工的整體質(zhì)量、安全性[7-8]。

5.綜采面小煤柱留巷支護(hù)設(shè)計(jì)

(1)小煤柱留巷支護(hù)方案的預(yù)選情況

選擇小煤柱留巷支護(hù)方案的時(shí)候，需滿足專(zhuān)業(yè)要求，在工程建設(shè)下合理設(shè)計(jì)并布置巷道，經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)巷道設(shè)計(jì)、布置情況，直接關(guān)系到煤礦善存、煤礦頂板、地質(zhì)水文條件，以及煤壁巖石構(gòu)造受力、煤塵瓦斯控制等多個(gè)方面。棚架支持保護(hù)結(jié)構(gòu)、破碎煤壁巖石，實(shí)行錨桿錨索支護(hù)和小煤柱注漿加固工作，為綜采工作面小煤柱留巷支護(hù)的基本形式，棚架應(yīng)配置適宜尺寸鋼筋支持架，加強(qiáng)對(duì)網(wǎng)罩的保護(hù)，避免發(fā)生煤壁坍塌問(wèn)題。聯(lián)系使用、操作過(guò)程發(fā)現(xiàn)，棚架支護(hù)為被動(dòng)支護(hù)，無(wú)法對(duì)煤壁巖石控制加以預(yù)判，而且在這個(gè)過(guò)程受到破壞的可能性較大，不能確保巷道的穩(wěn)定[9-12]。破碎煤壁巖石錨桿、錨索，促使煤壁巖石的牢固性得到有效保障，煤壁巖石裂縫會(huì)得到很好的處理，鋼結(jié)構(gòu)、混凝土承載牢固結(jié)構(gòu)，可以有效發(fā)揮承載的作用，避免發(fā)生大斷面、高應(yīng)和力巷道煤壁巖石變形問(wèn)題。另外，通過(guò)注漿的形式加固支護(hù)，破碎煤壁巖石中會(huì)注入適量的混凝土土漿液，這時(shí)開(kāi)口存在膠黏性，注漿技術(shù)控制下煤壁巖石內(nèi)部裂縫得到彌補(bǔ)，便于及早恢復(fù)原貌，提高巷道的安全。小煤柱留巷巷道支護(hù)施工的過(guò)程，巷道會(huì)開(kāi)發(fā)新的巷道，這就需要認(rèn)真做好破碎煤壁巖石錨桿及錨索支護(hù)維護(hù)工作。除此之外，和原棚架支護(hù)架相對(duì)比，注漿使得形狀發(fā)生一定變化，這時(shí)應(yīng)用綜采工作面小煤柱留巷支護(hù)技術(shù)處理，這種方法在確保支護(hù)安全性方面的效果理想，所以建議使用注漿的方式加固[13]。

(2)增加錨桿和錨索支護(hù)最大可變形量

采用沿空留巷變形破壞的概率較高，所以容易造成錨桿支護(hù)失效、錨索支護(hù)失效，而這也是支護(hù)體最大可變形量非常低的主要原因。針對(duì)于此，綜采面小煤柱留巷支護(hù)的時(shí)候應(yīng)增多錨桿和錨索最大可變形量，如：選用恒阻大變形錨桿和錨索，在支護(hù)效果方面優(yōu)勢(shì)突出。高恒阻、高預(yù)應(yīng)力、抗沖擊力學(xué)特征下，深部巷道挖掘后恒阻大的變形錨桿、錨索，以高預(yù)應(yīng)力的作用促使圍巖表層獲得理想的加固效果，有效轉(zhuǎn)變前部圍巖應(yīng)力情況。如此一來(lái)，利于很好地處理以往錨桿支護(hù)、錨索支護(hù)以及相關(guān)預(yù)緊力施加問(wèn)題，確保支護(hù)體系巷道表層圍巖徑向應(yīng)力效、圍巖完整性。除此之外，外部載荷＞恒阻大變形錨桿恒阻值，或是錨索恒阻值，則會(huì)造成變形問(wèn)題的出現(xiàn)，該種變形經(jīng)恒阻器內(nèi)部結(jié)構(gòu)滑移出現(xiàn)，聯(lián)系恒阻大變形錨桿和錨索使用進(jìn)行分析，未見(jiàn)屈服變形的現(xiàn)象，提示可改變傳統(tǒng)錨桿及錨索支護(hù)期間屈服的狀態(tài)，并且防止發(fā)生破斷的現(xiàn)象。在巷道變形期間獲取高恒阻值，能加強(qiáng)圍巖塑性區(qū)承載方面能力，針對(duì)不均勻應(yīng)力支護(hù)體構(gòu)成的作用，恒阻大變形錨桿、錨索經(jīng)自身結(jié)構(gòu)調(diào)節(jié)集中應(yīng)力后釋放應(yīng)力，便于使得支護(hù)體系受力更加均勻，逐漸形成圍巖和支護(hù)體耦合，支護(hù)系統(tǒng)穩(wěn)定、可靠。

(3)確保綜采面支護(hù)的效果

支護(hù)過(guò)程中需重視支護(hù)的整體效果，如：選用錨桿、錨索、鋼筋網(wǎng)、W鋼帶、槽鋼支護(hù)方案，堅(jiān)持適度讓壓、強(qiáng)化支護(hù)原則進(jìn)行耦合支護(hù)，此時(shí)錨桿支護(hù)能加強(qiáng)圍巖承載方面能力，促使深部穩(wěn)定圍巖對(duì)淺部圍巖構(gòu)成限制，達(dá)到支護(hù)體、圍巖強(qiáng)耦合的效果。頂板及兩幫錨桿選擇W鋼帶，頂板錨索采用槽鋼完成連接，巷道頂板、梁板呈組合梁結(jié)構(gòu)，有助于錨桿和錨索破斷情況的發(fā)生率得到有效控制，然后逐漸形成圍巖、支護(hù)體剛度耦合。錨索托盤(pán)內(nèi)部應(yīng)用木托盤(pán)，外部選用鐵托盤(pán)，目的為促進(jìn)圍巖變形吸收，避免圍巖表面應(yīng)力集中所致巷道壁受到破壞情況出現(xiàn)。

6.圍巖控制的效果

為明確支護(hù)方案圍巖控制的效果，建議在巷道掘進(jìn)的過(guò)程中安裝2組表面位移測(cè)站，主要實(shí)行巷道頂板下沉、兩幫移近情況量測(cè)。巷道掘進(jìn)≤40m圍巖表面變形速率加大，巷道變形主要在這一區(qū)域發(fā)生，究其原因和巷道開(kāi)挖所致圍巖在較短時(shí)間卸荷有關(guān)，因而在應(yīng)力場(chǎng)重新分布下促使圍巖切向應(yīng)力升高，巖體承受偏應(yīng)力＞巖體承受抗剪強(qiáng)度，此時(shí)圍巖容易發(fā)生擴(kuò)展破壞問(wèn)題，并且巷道開(kāi)挖初期表面位移的可能性加大。表面位移變化距離掘進(jìn)頭60m左右時(shí)能保持穩(wěn)定的狀態(tài)，圍巖應(yīng)力重新分布完成，支護(hù)方案可靠，故而可以提高圍巖承載力，變形不會(huì)受到開(kāi)挖因素所影響并能保證穩(wěn)定性[14-15]。

7.綜采面小煤柱留巷支護(hù)設(shè)計(jì)的經(jīng)濟(jì)效益

以19#煤層南I輔助盤(pán)區(qū)8102綜采面出發(fā)，預(yù)留5m小煤柱、預(yù)計(jì)回采后可采18.5萬(wàn)噸煤，按照當(dāng)前售價(jià)18.5萬(wàn)×320元/噸計(jì)算，可獲得創(chuàng)收金額5920萬(wàn)元。這一項(xiàng)技術(shù)在全區(qū)推廣，能夠確保礦井煤炭的回采率，延長(zhǎng)礦井的生產(chǎn)時(shí)間，并且有效維護(hù)煤礦企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益、社會(huì)效益。

8.結(jié)語(yǔ)

19#煤層南I輔助盤(pán)區(qū)8102綜采面運(yùn)輸巷使用的為小煤柱沿空掘巷，經(jīng)模擬分析了解到小煤柱護(hù)巷可以提高回采巷道的效率、安全性。除了編制相應(yīng)的錨桿支護(hù)方案、注漿加固方案外，同時(shí)應(yīng)做好頂板下沉、兩幫變形量、巷道底板變形，以及頂板離層和錨桿受力等方面監(jiān)測(cè)工作，科學(xué)利用頂板錨網(wǎng)、中部加鎖，在兩幫錨網(wǎng)和鋼筋梁中部位置加鎖，聯(lián)系支護(hù)強(qiáng)度相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)調(diào)整支護(hù)方案，從而提高煤炭資源的利用率，促使巷道圍巖保持穩(wěn)定。