华阳一矿小煤柱孤岛工作面回采巷道围岩支护优化研究

赵晋龙

（山西华阳集团新能源股份有限公司，山西 阳泉 045000）

0 引 言

为避免生产与接替采面间的干扰以及便于瓦斯、煤层自燃灾害治理，井下部分采面采用跳采方式，从而会遗留有两侧均为采空区的孤岛工作面。与正常的采面回采不同，孤岛工作面两侧均为采空区，导致采面出现一定程度的应力集中，加之采面回采扰动影响，导致回采巷道围岩变形量较大，特别是孤岛工作面留设小煤柱护巷时，围岩控制难度更大。为此，众多的学者及工程技术人员对孤岛工作面回采巷道围岩控制方面展开大量研究，其中骆驰等针对永煤陈四楼矿孤岛工作面现场地质条件构建数值模拟及相似模拟模型，综合分析发现窄煤柱在维护巷道围岩稳定方面起着重要作用，煤柱宽度超过5 m 后随着煤柱宽度增加煤柱内应力集中系数变化不明显，同时孤岛工作面采用全锚索支护可有效维持巷道围岩稳定；崔守臣等通过模拟试验、钻孔窥视等分析孤岛工作回采巷道变形，发现孤岛工作面围岩松动圈破碎程度最为严重区域为采空区侧煤柱、其次为巷道顶板、最后为采面帮，巷道变形破坏最为薄弱环节为顶板及采空区侧煤柱。

在前人研究的基础上，对山西华阳一矿12062孤岛工作面支护问题进行研究。12062 下巷与12041 采空区间留设有6 m 保护煤柱，12062 上巷与12081 采空区留设有25 m 保护煤柱，此次研究以12062 下巷围岩控制为背景，对小煤柱孤岛工作面回采巷道围岩支护技术进行探讨，以期为其他矿井类似采面回采巷道支护工作开展提供经验借鉴。

1 工作面概况

1.1 地质概况

华阳一矿12062 综采工作面回采12 号煤层，煤层为优质煤，具有低硫、低灰、发热量高等优点，开采经济效益十分显著。12062 综采工作面位于矿井二采区南翼，采面北侧及南侧均为回采完毕的采空区，12062 上巷及12062 下巷分别留设6 m、25 m 保护煤柱，采面东侧为采区边界（实体煤）、西侧为采区集中巷道，具体位置如图1 所示。

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

12062 综采工作面回采的12 号煤层埋深均值390 m，煤厚2.2～2.6 m、倾角0～8°，设计推进长度995 m、斜长148.4 m。12 号煤层上覆有厚0～1.5 m 的砂质泥岩伪顶，直接顶为厚度3.16 m的粉砂质泥岩，基本顶为厚度2.11 m 的砂岩；煤层直接底为厚度3.87 m 的粉砂质泥岩、基本底为5.98 m 石灰岩。

1.2 12062 下巷支护参数及围岩变形情况

12062 下巷沿着回采的12 号煤层底板掘进，断面为矩形，净宽4 000 mm、净高2 600 mm，净面积为10.4 m2。围岩采用锚网索梁支护，详细支护参数见表1。

表1 12062 下巷围岩支护参数Table 1 12062 roadway surrounding rock support parameters

但在实际回采过程中，巷道受采动影响，12062 下巷围岩变形量较大。对12062 下巷围岩变形特征情况进行现场观测，发现围岩变形呈现以下特点：12062 下巷掘进期间围岩集中应力现场明显且持续时间长，巷道掘进并支护完成后顶底板、巷帮均有较大变形，其中巷帮变形量超过顶底板变形量的2 倍以上；巷道底鼓问题也较为突出，靠近煤柱位置底鼓量更大，给巷道正常使用带来影响；12062 工作面回采期间，12062 下巷受采动影响显著，巷道围岩变形量较大，监测得到巷道顶板、底板、两帮最大位移量分别为562、480、965 mm，巷道顶板出现不同程度离层。

因此，为确保12602 工作面顺利回采以及12062 下巷围岩稳定，需要针对12062 下巷围岩特点及变形特征进行巷道支护优化。

2 小煤柱孤岛工作面回采巷道支护优化

2.1 回采巷道围岩裂隙发育情况

随着12062 孤岛工作面回采的推进，护巷小煤柱内部裂隙发育，12062 下巷在应力集中作用下围岩容易出现裂隙发育、顶板离层以及错动等情况。为此，实现小煤柱孤岛工作面回采巷道围岩控制的关键在于确保巷道顶板、巷帮稳定（由于巷道使用时间段，底板可允许一定变形，后续通过修整即可满足使用需要）；在强化回采巷道围岩支护整体支护的同时，强化煤柱承载能力，避免煤柱变形量过大引起顶板离层情况。

在12062 下巷使用KMT 矿用钻孔成像仪窥视巷道围岩裂隙扩展情况。窥视发现巷道顶板上方1.5 m 范围内岩体裂隙发育；采空区帮及回采巷1.65 m、1.35 m 范围内裂隙发育。由于钻孔窥视尚未受到12062 工作面采动影响，12062 下巷支护用的锚杆均有效，但是当巷道处于12062 工作面采动采动影响范围内时，围岩裂隙进一步扩展，会导致巷道原有锚杆支护失效。

2.2 回采巷道补强加固方案

根据上述12062 下巷围岩变形特征研究以及现场地质条件，并结合以往巷道支护经验，决定采用以下补强加固方案。

2.2.1 锚索补强加固

在12062 下巷顶板巷中位置增加布置1 根锚索，与原有的顶锚索形成“一二一”，补强用的锚索规格为φ17.8 mm×5 000 mm 的预应力锚索，锚索排距为2 400 mm；为控制小煤柱变形，在煤柱帮补打2 根规格为φ17.8 mm×3 500 mm 的预应力锚索，锚索布置间距、排距均为1 600 mm。12062下巷顶板及煤柱帮补强锚索布置如图2 所示。

图2 12062 下巷补强锚索布置示意Fig.2 Arrangement of reinforcing anchor cable in 12062 lower roadway

2.2.2 架棚超前支护

在12062 下巷超前12062 采面80 m 范围内，使用单体柱+π 型梁按照“一梁三柱”方式进行超前支护。由于12062 下巷底板为承载能力及强度较低的粉砂质泥岩，为减少甚至避免单体柱穿底，在单体柱上均穿铁鞋。超前支护用的棚梁按照800 mm 间距布置，由于靠近采空区煤柱侧顶板及底板变形量较大，在靠近采空区布置2 排单体柱，在靠近采面帮布置1 根单体柱。12062 下巷超前支护布置如图3 所示。

图3 12062 下巷超前支护布置示意Fig.3 12062 lower roadway advance support layout schematic

3 巷道支护效果

为验证小煤柱孤岛工作面回采巷道围岩支护效果，在12062 下巷超前支护开始位置（即与采面相距80 m 处）布置测点，对巷道顶底板、巷帮位移量进行持续监测，具体监测结果如图4 所示。

图4 围岩变形量监测曲线Fig.4 Surrounding rock deformation monitoring curve

从围岩变形监测曲线可以看出，随着测点与采面间距不断缩小，巷道顶底板、巷帮位移量呈不断增加趋势。当测点与采面间距在50 m 以内时，巷道受采动影响较为明显，巷道围岩变形量增加较快；当采面推进至测点位置时，监测得到顶底板、巷帮最大位移量分别为378 mm、460 mm，顶底板及巷帮围岩变形量较原支护方案时（顶底板1 042 mm、965 mm）分别降低约63.7%、52.3%，优化支护后的12062 下巷围岩变形量可满足采面安全回采的要求。

4 结 论

（1）12062 综采工作面为孤岛工作面，12062下巷与邻近的12041 采空区间仅留设6 m 保护煤柱，12062 下巷在邻近采空区侧向应力以及本采面采动压力等叠加影响下出现围岩严重变形问题，围岩变形呈现明显的非对称特征，其中靠近煤柱侧顶底板变形量大、巷帮变形严重。

（2）根据12062 下巷围岩变形特征以及现场地质条件，并结合以往巷道支护经验，提出通过锚索补强方式增加顶板及煤柱承载能力，在巷道顶板中部按照2 400 mm 排距增加1 排规格为φ17.8 mm×5 000 mm 的预应力锚索，在煤柱帮按照1 600 mm×1 600 mm 间排距增加2 根φ17.8 mm×3 500 mm 的预应力锚索，充分发挥锚索悬吊效果，降低巷道变形量；在超前采面80 m 范围内通过“单体柱+π 型梁”，按照“一梁三柱”方式进行超前支护。现场应用后，12062 下巷围岩变形量严重问题得以较好解决，说明设计的支护优化方案是可行的，为12062 孤岛工作面安全高效回采创造良好条件。