小煤柱支护工艺技术应用分析

李恒周

（山西潞安矿业集团慈林山煤业有限公司 夏店煤矿，山西 长治 046299）

1 概述

为了能够进一步的提升煤矿资源回采率，一些煤矿在选择护巷方式的过程中，逐渐淘汰了宽煤柱的方式，并针对小煤柱护巷技术开展深入的研究工作，煤柱护巷技术正不断向着无煤柱护巷技术方向发展，对于优化井下开采中巷道维护条件，进一步降低巷道掘进率以及增加工作面回采率等方面意义重大。沿空掘巷便是沿已采工作面采空区域边缘位置开展巷道掘进工作，这样巷道承受的载荷作用相对小，而且在维护过程中也更为便捷。现阶段，小煤柱沿空护巷技术应用成为提高煤炭资源回采率有效途径。

2 区域地质条件

夏店煤矿开采区域地形为丘陵地形，在低洼区域分布有水田以及池塘等，区域内标高平均值为+240 m，目前主要开采煤层为Ⅰ号煤层，该煤层的厚度值在2.7～3.3 m之间，煤层的结构相对复杂，呈现条带状分布，煤层具有爆炸危险，经鉴定煤层的自然发火等级属于Ⅰ级。煤层的伪顶板结构是含炭质泥岩结构，呈现灰褐色，断口位置较为粗糙。3Ⅰ01工作面的进风巷道应用保护小煤柱掘进施工，因为其紧邻1201工作面采空区域，导致了回风巷道围岩结构存在一定的再生性，较易发生破碎。3Ⅰ01工作面巷道布置见图1。

图1 3I01工作面巷道布置

煤层直接顶结构属于泥岩结构，在遇到水的情况下会发生较大膨胀，顶板局部结构属于含砂泥岩结构。老顶结构为细砂岩结构。直接底结构属于泥岩结构，底板的硬度相对较小，而且遇到水的情况下极易变软。老底为灰白色泥岩结构，相对较为坚硬。

3 巷道顶板及帮岩岩层状况分析

采用型号为YTJ20的岩层探测设备，进行岩层层状探测，钻孔设备采用锚杆钻机，钻机钻头的直径为Φ28 mm，完成钻孔作业之后，利用风管将孔内的岩粉全部清理，再开展探测工作。经过探测得出以下结论：

（1）进风巷道的保护小煤柱区域顶板结构在1～2 m深位置存在较少的裂隙，在3～4 m位置处存在相对大的裂隙，在5m以上区域中存在的裂隙相对较小，相对来说较为完整，所以，开展顶板支护作业过程中，应当首先采用锚杆把围岩结构加固处理，而且还应当使用较长的锚索加以悬吊，确保把浅部加固之后围岩结构能够悬吊于上部较为稳定岩层之内。因为在中部区域内3～4 m存在较多的裂隙，而在5 m之上区域围岩性对稳定，另外，由于巷道的直接顶结构厚度值是5.5 m，要想确保利用老顶结构来稳定直接顶，则要求锚索的长度应当为7 m左右。

（2）在巷道煤帮部位1 m深位置存在裂隙，而在1～2.5 m位置处有裂隙带存在，2.5～5 m位置处同样有较少裂隙，但是，相对来说煤柱整体上不存在较大劈裂区域，这也从侧面反映出了在该工作面中设置5 m保护小煤柱方案可行。由于在1～2.5 m深度存在裂隙带，则要求锚杆长度值应当在2.5 m左右，如此才能够把这一位置处的煤岩通过锚固剂加以锚固处理。

4 锚杆锚索支护方案

1）顶板结构位置处的锚杆借助于悬吊而发挥作用，帮部位置锚杆对帮部煤体进行加固而发挥作用，其中锚杆的长度值应符合以下要求：

式中：L为锚杆总长度值，mm；K为安全系数，通常取值为2；b为冒落拱高度值，mm；L1为锚杆深入至稳定层中长度值，mm；L2为锚杆的外露长度值，通常外露长度设置为50mm。

式中：B1为巷道开掘的深度值，此处为4000 mm；f为岩体坚固系数值，此处为2。

通过计算得出L=2×1000+400+50=2450 mm。因此，在对围岩结构进行支护过程中，所采用锚杆长度应当选择2500 mm。同时结合上述对于岩层的层状分析结果，锚杆长度为2500 mm情况下，可以满足要求。

2）锚索长度。在进行锚索的长度确定过程中，应当主要考虑锚索的悬吊作用，其长度值应满足：

式中：L为锚索的长度值，m；La为锚索深入稳定围岩结构长度值，通常根据经验取1～2 m；Lb为要求进行悬吊作业的不稳定围岩厚度值，在此取直接顶结构厚度为5 m；Lc为上托盘结构以及锚具结构厚度值，通常是0.1 m；Ld为外露锚索的张拉长度值，m。

将相关数据带入可以求得：L=6.8m。同时，依照巷道岩状分析结果，在接近采空区域位置处的顶板结构存在一段裂隙带区域，该裂隙带所在深度为4～6m之间。因此，所设置的锚索深度应当为7m。

3）预紧力计算。顶板结构内的锚杆预紧力应满足以下条件：

式中：Qr为垂直载荷，kN；n1为顶板结构单排锚杆数量。

煤帮结构内的锚杆预紧力应满足以下条件：

式中：Qs为水平载荷，kN；n2为帮煤结构单排锚杆数量。

而在以往的实际操作之中发现，在锚杆的预紧力达到了50 kN时，对于控制巷道的变形会起到很好作用，所以，在此把锚杆预紧力设置为50 kN。

4）锚索间排距计算。由于此次支护采用保护小煤柱支护的方式，顶板结构便由锚索而悬吊在稳定为岩层之中。依照相关理论，在顶板位置处的锚索锚固力大小应当较不稳定岩体自重更大。便可以得出下式：

式中：L为锚索的排距值，m；F2为锚索的极限承载力，kN；B1为巷道的宽度值，m；H为巷道的裂隙范围高度值，m；γ为岩体的体积力，此处为25 kN/m3；F1为锚杆的锚固力大小，kN；L1为锚杆的排距值，0.8；θ为锚杆和巷道之间夹角值，此处为45°；n为锚索的排数值，此处为1。

采用的锚索为钢绞线锚索，锚索的直径为Φ15.24 mm，其承载力大小为230 kN。由于巷道的宽度值为4 m，B1取值为4 m。从巷道的岩状分析可知H的值为4.5 m，则能够计算得到L应当小于等于1.26 m。根据现场的实际情况，锚索打三花状，首排设置有两个锚索，在0.9 m之后的另一排中间位置设置一个锚索，这样不断循环。具体支护见图2。

图2 3Ⅰ01进风巷道支护

5 3Ⅰ01进风巷道围岩变形情况分析

在支护方案改进之后，为了能够进一步的分析锚杆以及锚索联合支护具体效果，针对3Ⅰ01进风巷道开展了长达60 d的监测工作，通过对监测结果的分析，能够为锚杆与锚索联合支护模式以及相关参数计算提供参考，同时也为同类煤矿开采中应用小煤柱支护技术提供了可靠的依据。

在具体监测过程中，是针对两帮位置以及顶底板位置迁移量的收敛性加以监测，在巷道支护方案优化前以及方案支护方案优化后分别选取1号位置与2号位置进行监测，所利用的监测方法为“十”字监测方法，分别在两帮位置以及顶底板位置处设置锚杆钉，加以测量与计算，从而获得两帮位置以及顶底板位置迁移速率。

图3为3I01进风巷的两帮收敛速率，从图中能够看出在巷道不断的掘进作业时，处在普通支护区域之中巷道两帮收敛速率相对大很多，而其中最大变形速率为18.2 mm/d，而在支护方案改进后的支护区域之中，两帮最大收敛速率仅为6.6 mm/d。能够将掘进作业对于巷道的影响划分成三个不同时期，分比为剧烈影响时期、平衡时期以及稳定时期。在10 d之内围岩存在较为剧烈的运动，而在时间不断推移的过程中，在30 d之后围岩的运动逐渐趋于平稳，在大约60 d左右基本上处于较为稳定的状态。

图4为3I01进风巷的顶底板收敛速率，从图中能够看出在巷道不断的掘进作业时，处在普通支护区域之中巷道顶底板收敛速率相对大很多，而其中最大变形速率为6.7 mm/d，而在支护方案改进后的支护区域之中，两帮最大收敛速率仅为3.2 mm/d。巷道掘进作业初始阶段，大约在20 d左右围岩存在较为剧烈的运动，而随后围岩的运动逐渐趋于平稳，在大约60 d左右基本上处于较为稳定的状态。

图3 3I01进风巷掘进期间两帮收敛速度

图4 3I01进风巷掘进期间顶底板收敛速度

6 结语

由于不同煤矿的自身开采条件有限，因为煤炭性质存在差异，而且巷道顶板结构的处理工艺存在差，使得留煤柱的形式也存在较大差异。只有确保巷道支护参数更为合理，才能最大限度的避免出现资源浪费问题，减少巷道维护成本投入，并且可以确保煤矿开采工作的安全性。