華陽(yáng)一礦小煤柱孤島工作面回采巷道圍巖支護(hù)優(yōu)化研究

趙晉龍

（山西華陽(yáng)集團(tuán)新能源股份有限公司，山西 陽(yáng)泉 045000）

0 引 言

為避免生產(chǎn)與接替采面間的干擾以及便于瓦斯、煤層自燃災(zāi)害治理，井下部分采面采用跳采方式，從而會(huì)遺留有兩側(cè)均為采空區(qū)的孤島工作面。與正常的采面回采不同，孤島工作面兩側(cè)均為采空區(qū)，導(dǎo)致采面出現(xiàn)一定程度的應(yīng)力集中，加之采面回采擾動(dòng)影響，導(dǎo)致回采巷道圍巖變形量較大，特別是孤島工作面留設(shè)小煤柱護(hù)巷時(shí)，圍巖控制難度更大。為此，眾多的學(xué)者及工程技術(shù)人員對(duì)孤島工作面回采巷道圍巖控制方面展開大量研究，其中駱馳等針對(duì)永煤陳四樓礦孤島工作面現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)條件構(gòu)建數(shù)值模擬及相似模擬模型，綜合分析發(fā)現(xiàn)窄煤柱在維護(hù)巷道圍巖穩(wěn)定方面起著重要作用，煤柱寬度超過(guò)5 m 后隨著煤柱寬度增加煤柱內(nèi)應(yīng)力集中系數(shù)變化不明顯，同時(shí)孤島工作面采用全錨索支護(hù)可有效維持巷道圍巖穩(wěn)定；崔守臣等通過(guò)模擬試驗(yàn)、鉆孔窺視等分析孤島工作回采巷道變形，發(fā)現(xiàn)孤島工作面圍巖松動(dòng)圈破碎程度最為嚴(yán)重區(qū)域?yàn)椴煽諈^(qū)側(cè)煤柱、其次為巷道頂板、最后為采面幫，巷道變形破壞最為薄弱環(huán)節(jié)為頂板及采空區(qū)側(cè)煤柱。

在前人研究的基礎(chǔ)上，對(duì)山西華陽(yáng)一礦12062孤島工作面支護(hù)問(wèn)題進(jìn)行研究。12062 下巷與12041 采空區(qū)間留設(shè)有6 m 保護(hù)煤柱，12062 上巷與12081 采空區(qū)留設(shè)有25 m 保護(hù)煤柱，此次研究以12062 下巷圍巖控制為背景，對(duì)小煤柱孤島工作面回采巷道圍巖支護(hù)技術(shù)進(jìn)行探討，以期為其他礦井類似采面回采巷道支護(hù)工作開展提供經(jīng)驗(yàn)借鑒。

1 工作面概況

1.1 地質(zhì)概況

華陽(yáng)一礦12062 綜采工作面回采12 號(hào)煤層，煤層為優(yōu)質(zhì)煤，具有低硫、低灰、發(fā)熱量高等優(yōu)點(diǎn)，開采經(jīng)濟(jì)效益十分顯著。12062 綜采工作面位于礦井二采區(qū)南翼，采面北側(cè)及南側(cè)均為回采完畢的采空區(qū)，12062 上巷及12062 下巷分別留設(shè)6 m、25 m 保護(hù)煤柱，采面東側(cè)為采區(qū)邊界（實(shí)體煤）、西側(cè)為采區(qū)集中巷道，具體位置如圖1 所示。

圖1 12062 綜采工作面位置示意Fig.1 Location of 12062 fully mechanized mining face

12062 綜采工作面回采的12 號(hào)煤層埋深均值390 m，煤厚2.2～2.6 m、傾角0～8°，設(shè)計(jì)推進(jìn)長(zhǎng)度995 m、斜長(zhǎng)148.4 m。12 號(hào)煤層上覆有厚0～1.5 m 的砂質(zhì)泥巖偽頂，直接頂為厚度3.16 m的粉砂質(zhì)泥巖，基本頂為厚度2.11 m 的砂巖；煤層直接底為厚度3.87 m 的粉砂質(zhì)泥巖、基本底為5.98 m 石灰?guī)r。

1.2 12062 下巷支護(hù)參數(shù)及圍巖變形情況

12062 下巷沿著回采的12 號(hào)煤層底板掘進(jìn)，斷面為矩形，凈寬4 000 mm、凈高2 600 mm，凈面積為10.4 m2。圍巖采用錨網(wǎng)索梁支護(hù)，詳細(xì)支護(hù)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 12062 下巷圍巖支護(hù)參數(shù)Table 1 12062 roadway surrounding rock support parameters

但在實(shí)際回采過(guò)程中，巷道受采動(dòng)影響，12062 下巷圍巖變形量較大。對(duì)12062 下巷圍巖變形特征情況進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)，發(fā)現(xiàn)圍巖變形呈現(xiàn)以下特點(diǎn)：12062 下巷掘進(jìn)期間圍巖集中應(yīng)力現(xiàn)場(chǎng)明顯且持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，巷道掘進(jìn)并支護(hù)完成后頂?shù)装?、巷幫均有較大變形，其中巷幫變形量超過(guò)頂?shù)装遄冃瘟康? 倍以上；巷道底鼓問(wèn)題也較為突出，靠近煤柱位置底鼓量更大，給巷道正常使用帶來(lái)影響；12062 工作面回采期間，12062 下巷受采動(dòng)影響顯著，巷道圍巖變形量較大，監(jiān)測(cè)得到巷道頂板、底板、兩幫最大位移量分別為562、480、965 mm，巷道頂板出現(xiàn)不同程度離層。

因此，為確保12602 工作面順利回采以及12062 下巷圍巖穩(wěn)定，需要針對(duì)12062 下巷圍巖特點(diǎn)及變形特征進(jìn)行巷道支護(hù)優(yōu)化。

2 小煤柱孤島工作面回采巷道支護(hù)優(yōu)化

2.1 回采巷道圍巖裂隙發(fā)育情況

隨著12062 孤島工作面回采的推進(jìn)，護(hù)巷小煤柱內(nèi)部裂隙發(fā)育，12062 下巷在應(yīng)力集中作用下圍巖容易出現(xiàn)裂隙發(fā)育、頂板離層以及錯(cuò)動(dòng)等情況。為此，實(shí)現(xiàn)小煤柱孤島工作面回采巷道圍巖控制的關(guān)鍵在于確保巷道頂板、巷幫穩(wěn)定（由于巷道使用時(shí)間段，底板可允許一定變形，后續(xù)通過(guò)修整即可滿足使用需要）；在強(qiáng)化回采巷道圍巖支護(hù)整體支護(hù)的同時(shí)，強(qiáng)化煤柱承載能力，避免煤柱變形量過(guò)大引起頂板離層情況。

在12062 下巷使用KMT 礦用鉆孔成像儀窺視巷道圍巖裂隙擴(kuò)展情況。窺視發(fā)現(xiàn)巷道頂板上方1.5 m 范圍內(nèi)巖體裂隙發(fā)育；采空區(qū)幫及回采巷1.65 m、1.35 m 范圍內(nèi)裂隙發(fā)育。由于鉆孔窺視尚未受到12062 工作面采動(dòng)影響，12062 下巷支護(hù)用的錨桿均有效，但是當(dāng)巷道處于12062 工作面采動(dòng)采動(dòng)影響范圍內(nèi)時(shí)，圍巖裂隙進(jìn)一步擴(kuò)展，會(huì)導(dǎo)致巷道原有錨桿支護(hù)失效。

2.2 回采巷道補(bǔ)強(qiáng)加固方案

根據(jù)上述12062 下巷圍巖變形特征研究以及現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)條件，并結(jié)合以往巷道支護(hù)經(jīng)驗(yàn)，決定采用以下補(bǔ)強(qiáng)加固方案。

2.2.1 錨索補(bǔ)強(qiáng)加固

在12062 下巷頂板巷中位置增加布置1 根錨索，與原有的頂錨索形成“一二一”，補(bǔ)強(qiáng)用的錨索規(guī)格為φ17.8 mm×5 000 mm 的預(yù)應(yīng)力錨索，錨索排距為2 400 mm；為控制小煤柱變形，在煤柱幫補(bǔ)打2 根規(guī)格為φ17.8 mm×3 500 mm 的預(yù)應(yīng)力錨索，錨索布置間距、排距均為1 600 mm。12062下巷頂板及煤柱幫補(bǔ)強(qiáng)錨索布置如圖2 所示。

圖2 12062 下巷補(bǔ)強(qiáng)錨索布置示意Fig.2 Arrangement of reinforcing anchor cable in 12062 lower roadway

2.2.2 架棚超前支護(hù)

在12062 下巷超前12062 采面80 m 范圍內(nèi)，使用單體柱+π 型梁按照“一梁三柱”方式進(jìn)行超前支護(hù)。由于12062 下巷底板為承載能力及強(qiáng)度較低的粉砂質(zhì)泥巖，為減少甚至避免單體柱穿底，在單體柱上均穿鐵鞋。超前支護(hù)用的棚梁按照800 mm 間距布置，由于靠近采空區(qū)煤柱側(cè)頂板及底板變形量較大，在靠近采空區(qū)布置2 排單體柱，在靠近采面幫布置1 根單體柱。12062 下巷超前支護(hù)布置如圖3 所示。

圖3 12062 下巷超前支護(hù)布置示意Fig.3 12062 lower roadway advance support layout schematic

3 巷道支護(hù)效果

為驗(yàn)證小煤柱孤島工作面回采巷道圍巖支護(hù)效果，在12062 下巷超前支護(hù)開始位置（即與采面相距80 m 處）布置測(cè)點(diǎn)，對(duì)巷道頂?shù)装濉⑾飵臀灰屏窟M(jìn)行持續(xù)監(jiān)測(cè)，具體監(jiān)測(cè)結(jié)果如圖4 所示。

圖4 圍巖變形量監(jiān)測(cè)曲線Fig.4 Surrounding rock deformation monitoring curve

從圍巖變形監(jiān)測(cè)曲線可以看出，隨著測(cè)點(diǎn)與采面間距不斷縮小，巷道頂?shù)装濉⑾飵臀灰屏砍什粩嘣黾于厔?shì)。當(dāng)測(cè)點(diǎn)與采面間距在50 m 以內(nèi)時(shí)，巷道受采動(dòng)影響較為明顯，巷道圍巖變形量增加較快；當(dāng)采面推進(jìn)至測(cè)點(diǎn)位置時(shí)，監(jiān)測(cè)得到頂?shù)装?、巷幫最大位移量分別為378 mm、460 mm，頂?shù)装寮跋飵蛧鷰r變形量較原支護(hù)方案時(shí)（頂?shù)装? 042 mm、965 mm）分別降低約63.7%、52.3%，優(yōu)化支護(hù)后的12062 下巷圍巖變形量可滿足采面安全回采的要求。

4 結(jié) 論

（1）12062 綜采工作面為孤島工作面，12062下巷與鄰近的12041 采空區(qū)間僅留設(shè)6 m 保護(hù)煤柱，12062 下巷在鄰近采空區(qū)側(cè)向應(yīng)力以及本采面采動(dòng)壓力等疊加影響下出現(xiàn)圍巖嚴(yán)重變形問(wèn)題，圍巖變形呈現(xiàn)明顯的非對(duì)稱特征，其中靠近煤柱側(cè)頂?shù)装遄冃瘟看?、巷幫變形?yán)重。

（2）根據(jù)12062 下巷圍巖變形特征以及現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)條件，并結(jié)合以往巷道支護(hù)經(jīng)驗(yàn)，提出通過(guò)錨索補(bǔ)強(qiáng)方式增加頂板及煤柱承載能力，在巷道頂板中部按照2 400 mm 排距增加1 排規(guī)格為φ17.8 mm×5 000 mm 的預(yù)應(yīng)力錨索，在煤柱幫按照1 600 mm×1 600 mm 間排距增加2 根φ17.8 mm×3 500 mm 的預(yù)應(yīng)力錨索，充分發(fā)揮錨索懸吊效果，降低巷道變形量；在超前采面80 m 范圍內(nèi)通過(guò)“單體柱+π 型梁”，按照“一梁三柱”方式進(jìn)行超前支護(hù)?，F(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用后，12062 下巷圍巖變形量嚴(yán)重問(wèn)題得以較好解決，說(shuō)明設(shè)計(jì)的支護(hù)優(yōu)化方案是可行的，為12062 孤島工作面安全高效回采創(chuàng)造良好條件。