综采面小煤柱留巷支护设计研究

＊王轩扬

（山西汾西宜兴煤业有限责任公司 山西 032300）

综采面护巷煤柱宽度直接关系到煤炭采收率、巷道稳定性，因而本次研究结合煤矿工程地质条件，重点对8102综采面小煤柱沿空掘巷顶板控制、开采加以研究，以便确保综采面运输巷道支护设计的可行性、合理性，更好地维护企业方面的经济效益。

1.工程基本情况分析

以8102工作面采煤层为例，19#煤层厚度在8.25m左右，上段煤层厚度、泥岩厚度、高岭岩厚度、下段煤层厚度分别约为：3.5m、0.42m、1.45m、2.36m。19#煤层南I辅助盘区8102工作面的斜长、煤层倾角分别为：940m、5°。

2.煤柱尺寸留设计算方案的确定

以往，综采工作面留设护巷煤柱宽度约为32m，为降低煤炭造成的损失，确保回采面采收率，建议在5102巷使用沿空掘巷的形式进行布置，相近采空区压实处理。数值模拟主要对护巷煤柱宽度加以研究、分析，能够通过适合的方法处理，建议使用FLAC-3D软件进行各个沿空掘巷煤柱尺寸岩层移动特征的分析，然后从中选出最适合方案。联系矿井生产状况来看，煤柱尺寸共有3～12m几个方案，每个方案的尺寸比上一个方案高2m，经计算结果可以了解到上述方案塑性区域、应力分布以及所造成岩层移动的结果比较差异较小，煤柱尺寸过小条件下沿空掘巷围岩变形非常大，处于应力集中/高应力煤柱较小条件下，利于提高工作面回采巷道的稳定性。使用大煤柱方案处理，开采初期围岩变形几率比较小，然而随着开采的深入推进，因巷道两侧应力集中加大、煤柱及煤帮为高应力条件下，故而会使得巷道两帮、底板变形率升高，此时则会对巷道的稳定性构成不利的影响[2]。针对于此，需顺着采空区布置5m煤柱开采作业，进而提高煤炭开采量，达到生产的需要。

3.小煤柱留巷道围岩控制基本原理

小煤柱巷道掘进前，采空区四周顺着倾斜方向煤体内应力分布情况可见，小煤柱巷道掘进位置处于残余支撑压力峰值，巷道掘进后窄煤柱受到外界作用发生破坏的概率加大，而且会造成煤柱——巷道移动的现象[3]。巷道一侧煤体经原承受高压弹性区——破裂区和塑性区发生变化，这时支撑压力于煤体深处转移，煤体经巷道的方向出现位移情况。窄煤柱巷道于巷道掘进过程中处于高速变形的状态，顶板下沉、底板鼓起问题比较突出。需要注意的是，巷道压力来源于小煤柱一侧，因小煤柱受损严重，对顶板支撑的作用较小，同时巷道跨度、悬顶距离加大，故而使得小煤柱巷道围岩变形的可能性加大。这说明，煤柱侧巷帮为加强支护主要位置，需要认真做好这一位置变形控制工作。

4.综采面运输巷道支护设计及监测要点

(1)锚杆支护方案设计要点

5102巷顺着19#煤层底板掘进，巷道的宽度、上帮高度、下帮高度分别为：3.5m、3.2m、2.6m，因19#煤层埋深约为185m，所以巷道支护的过程可使用锚杆+金属网+梯子梁作业。综采面运输巷支护相关参数分析：①顶板支护结构、间排距、规格、支护参数最小预紧力、最小锚固力、材料分别为：锚杆、900mm×900mm、φ20mm×2200mm、28kN、125kN、无纵筋左旋螺纹钢；②支护结构、间排距、规格、支护参数最小预紧力、最小锚固力、材料分别为：锚杆、880mm×880mm、φ20mm×2200mm、28kN、125kN、无纵筋左旋螺纹钢；③下帮支护结构、间排距、规格、支护参数最小预紧力、最小锚固力、材料分别为：锚杆、800mm×880mm、φ20mm×2200mm、28kN、125kN、无纵筋左旋螺纹钢。

(2)注浆加固方案设计要点

注浆加固，即为将渗透性较佳浆液经裂隙主导破碎煤体，然后借助浆液密室、骨架的作用，使得破碎煤体连接形成完整整体，以此完善煤体性能，提高承载力[4]。注浆加固使用的为水、硅酸盐水泥及固化剂TWK-2,3者的比例为：0.6:1:1.2。与此同时，将注浆压力设定在1.2MPa左右，这个过程考虑到注浆钻孔施工，煤柱为5m，明确注浆钻孔深度后在上部、下部分别设置注浆钻孔开孔，和巷道顶板、底板的距离为550mm。

(3)顶板下沉监测要点

巷道掘进、4823综采面推进的过程，需对顶板下沉量作以观测，通过观测数据可见，4823回采运输巷顶板总体下沉量非常小，巷道掘进1周左右巷道顶板离层速度在每日1.5mm左右，然后巷道顶板离层速度下降4周左右保持比较稳定的状态。巷道掘进时巷道顶板累积下沉量在22mm左右，可以提高巷道的稳定性。4823综采工作面回采1周左右因回采面、顶板离层仪的距离不会很近，所以不能很好地显示出顶板的下沉量参数变化。综采面持续推进，巷道顶板上部岩层受到采动因素所影响发生下沉现象，下沉量约为每日5mm，到回采面推进的时间约为4周，巷道顶板下沉量在125m左右。在此之后，巷道顶板下沉量增加数值有一定变化，待8周后达到顶板离层布设位置，这时顶板下沉量约为190mm。

(4)两帮变形量监测要点

4823综采面运输巷掘进、综采面工作面开采巷道两帮变形量监测发现，该综采面运输巷沿空掘巷的时候，巷道两帮变形参数较小，2周内变形量约为120mm，然后巷道两帮变形量处于稳定的状态。综采面回采前小煤柱注浆作业完成，浆液强度达到设计范围，这时小煤柱帮因受到注浆密实、骨架支承因素影响，所以小煤柱侧变形量在45mm左右，不会很大。实体煤帮回采面、巷帮测点间间隔较小，这时围岩变形量较大，直至综采面推进8周，实体煤帮变形量约为0.8m。由此可见，使用锚杆、注浆加固技术处理，有助于避免发生巷道围岩变形的现象[5]。锚杆支护、锚索支护时，会使用到钢筋托梁、金属网及锚索托板等，为促使锚杆、锚索间达到支护系统让压需要，应该联系锚杆锚索受力、屈服强度，将顶板、巷帮支护分别在锚杆部位安装，焊接钢筋托梁以便为顺利进行锚杆安装奠定基础。

(5)巷道底板变形监测要点

4823综采面运输巷掘进阶段，底鼓量不会很大，而且随着综采面推进，因巷道底板为泥岩，巷道底板发生变形情况的概率加大，这时底板最大底鼓量约为1.3m，为促使巷道得到合理运用应作以起底处理。

(6)顶板离层监测要点

为更好地对巷道顶板离层实行监测，建议对所有断面顶板巷中合理布设顶板离层仪，数量为28个。以离层仪监测角度分析发现，绝大多数深部离层仪离层数值呈“0”的状态，前部离层仪存在一定数值，需控制在安全的范围。离层仪监测结果中锚杆支护方案的确定，可以确保顶板的稳定性，顶板位置无离层。局部构造区域显现顶板为裂隙发育，经减小锚杆排距、锚索补强等相关对策处理，可有效保障围岩稳定性。以巷道顶板离层监测数据分析发现，巷道顶板围岩未产生严重变形，巷道顶板围岩安全、稳定，可以为巷道的正常应用提供良好支持[6]。

(7)锚杆受力监测要点

为确保锚杆、锚索支护构件保持受力的状态，应该按要求安装锚杆及锚索测力计，对锚杆及锚索构件受力情况进行监测。锚杆初始受力＞15kN、锚杆最大受力＞30kN，待锚杆加预紧力后受力有所改变，因而需及时进行巷道支护作业，以便严格控制巷道围岩变形情况的发生。锚索高预紧力后，巷道开挖在28m左右，初始力会发生不同程度变化，28m后锚索受力稳定，纵观各方面来观察巷道支护施行加强锚杆支护、锚索支护，不会致使巷道围岩发生过大的受力改变。

(8)巷道支护加固施工监测要点

加固施工的过程要求相关工作人员使用钢筋混凝土结构支护加固方式支护防御，将混凝土支柱、煤壁距离设置为1800mm左右，支柱中心排列距离控制在1850mm左右。除此之外，应该实行注浆相关数据参数的备注工作，旨在提高加固桩柱稳定性，将注浆土泵、管道、基础构架于部件，如：将混凝土泵运输传输量控制在每小时20m3左右，混凝土泵压强控制在5MPa左右，避免出现防爆电机烧毁的问题。工程建设期间遵循工作流程操作、管理，坚持事中事后同时监管的原则处理，如：施工前期可评判施工方案是否合理，以便及时排除存在的安全隐患。在灌浆加固时合理运用相关工艺技术，加大巷道支护系统的应用范围，以安全防护为主作业，进而确保工程施工的整体质量、安全性[7-8]。

5.综采面小煤柱留巷支护设计

(1)小煤柱留巷支护方案的预选情况

选择小煤柱留巷支护方案的时候，需满足专业要求，在工程建设下合理设计并布置巷道，经研究发现巷道设计、布置情况，直接关系到煤矿善存、煤矿顶板、地质水文条件，以及煤壁岩石构造受力、煤尘瓦斯控制等多个方面。棚架支持保护结构、破碎煤壁岩石，实行锚杆锚索支护和小煤柱注浆加固工作，为综采工作面小煤柱留巷支护的基本形式，棚架应配置适宜尺寸钢筋支持架，加强对网罩的保护，避免发生煤壁坍塌问题。联系使用、操作过程发现，棚架支护为被动支护，无法对煤壁岩石控制加以预判，而且在这个过程受到破坏的可能性较大，不能确保巷道的稳定[9-12]。破碎煤壁岩石锚杆、锚索，促使煤壁岩石的牢固性得到有效保障，煤壁岩石裂缝会得到很好的处理，钢结构、混凝土承载牢固结构，可以有效发挥承载的作用，避免发生大断面、高应和力巷道煤壁岩石变形问题。另外，通过注浆的形式加固支护，破碎煤壁岩石中会注入适量的混凝土土浆液，这时开口存在胶黏性，注浆技术控制下煤壁岩石内部裂缝得到弥补，便于及早恢复原貌，提高巷道的安全。小煤柱留巷巷道支护施工的过程，巷道会开发新的巷道，这就需要认真做好破碎煤壁岩石锚杆及锚索支护维护工作。除此之外，和原棚架支护架相对比，注浆使得形状发生一定变化，这时应用综采工作面小煤柱留巷支护技术处理，这种方法在确保支护安全性方面的效果理想，所以建议使用注浆的方式加固[13]。

(2)增加锚杆和锚索支护最大可变形量

采用沿空留巷变形破坏的概率较高，所以容易造成锚杆支护失效、锚索支护失效，而这也是支护体最大可变形量非常低的主要原因。针对于此，综采面小煤柱留巷支护的时候应增多锚杆和锚索最大可变形量，如：选用恒阻大变形锚杆和锚索，在支护效果方面优势突出。高恒阻、高预应力、抗冲击力学特征下，深部巷道挖掘后恒阻大的变形锚杆、锚索，以高预应力的作用促使围岩表层获得理想的加固效果，有效转变前部围岩应力情况。如此一来，利于很好地处理以往锚杆支护、锚索支护以及相关预紧力施加问题，确保支护体系巷道表层围岩径向应力效、围岩完整性。除此之外，外部载荷＞恒阻大变形锚杆恒阻值，或是锚索恒阻值，则会造成变形问题的出现，该种变形经恒阻器内部结构滑移出现，联系恒阻大变形锚杆和锚索使用进行分析，未见屈服变形的现象，提示可改变传统锚杆及锚索支护期间屈服的状态，并且防止发生破断的现象。在巷道变形期间获取高恒阻值，能加强围岩塑性区承载方面能力，针对不均匀应力支护体构成的作用，恒阻大变形锚杆、锚索经自身结构调节集中应力后释放应力，便于使得支护体系受力更加均匀，逐渐形成围岩和支护体耦合，支护系统稳定、可靠。

(3)确保综采面支护的效果

支护过程中需重视支护的整体效果，如：选用锚杆、锚索、钢筋网、W钢带、槽钢支护方案，坚持适度让压、强化支护原则进行耦合支护，此时锚杆支护能加强围岩承载方面能力，促使深部稳定围岩对浅部围岩构成限制，达到支护体、围岩强耦合的效果。顶板及两帮锚杆选择W钢带，顶板锚索采用槽钢完成连接，巷道顶板、梁板呈组合梁结构，有助于锚杆和锚索破断情况的发生率得到有效控制，然后逐渐形成围岩、支护体刚度耦合。锚索托盘内部应用木托盘，外部选用铁托盘，目的为促进围岩变形吸收，避免围岩表面应力集中所致巷道壁受到破坏情况出现。

6.围岩控制的效果

为明确支护方案围岩控制的效果，建议在巷道掘进的过程中安装2组表面位移测站，主要实行巷道顶板下沉、两帮移近情况量测。巷道掘进≤40m围岩表面变形速率加大，巷道变形主要在这一区域发生，究其原因和巷道开挖所致围岩在较短时间卸荷有关，因而在应力场重新分布下促使围岩切向应力升高，岩体承受偏应力＞岩体承受抗剪强度，此时围岩容易发生扩展破坏问题，并且巷道开挖初期表面位移的可能性加大。表面位移变化距离掘进头60m左右时能保持稳定的状态，围岩应力重新分布完成，支护方案可靠，故而可以提高围岩承载力，变形不会受到开挖因素所影响并能保证稳定性[14-15]。

7.综采面小煤柱留巷支护设计的经济效益

以19#煤层南I辅助盘区8102综采面出发，预留5m小煤柱、预计回采后可采18.5万吨煤，按照当前售价18.5万×320元/吨计算，可获得创收金额5920万元。这一项技术在全区推广，能够确保矿井煤炭的回采率，延长矿井的生产时间，并且有效维护煤矿企业的经济效益、社会效益。

8.结语

19#煤层南I辅助盘区8102综采面运输巷使用的为小煤柱沿空掘巷，经模拟分析了解到小煤柱护巷可以提高回采巷道的效率、安全性。除了编制相应的锚杆支护方案、注浆加固方案外，同时应做好顶板下沉、两帮变形量、巷道底板变形，以及顶板离层和锚杆受力等方面监测工作，科学利用顶板锚网、中部加锁，在两帮锚网和钢筋梁中部位置加锁，联系支护强度相关标准调整支护方案，从而提高煤炭资源的利用率，促使巷道围岩保持稳定。