孤岛工作面小煤柱掘巷围岩综合控制技术研究

杨朝霞，赵明霞

(1.阳泉煤业集团二矿，山西 阳泉 045000；2.山西工程技术学院，山西 阳泉 045000)



孤岛工作面小煤柱掘巷围岩综合控制技术研究

杨朝霞1，赵明霞2

(1.阳泉煤业集团二矿，山西 阳泉 045000；2.山西工程技术学院，山西 阳泉 045000)

针对阳煤二矿埋深大、煤柱护巷效果差、支护成本高及维护难度大的特点，基于孤岛工作面80509回风巷围岩工程环境特征，分析巷道变形破坏机制，综合采用理论分析、数值模拟及工程实践，确定了合理煤柱尺寸为5.5 m，并提出了该类巷道的控制对策。

孤岛工作面；小煤柱掘巷；综合控制技术

1 巷道围岩工程环境

80509工作面属于孤岛工作面，80509回风巷沿80508采空侧布置，相邻内错巷与回风巷煤柱宽度16 m～26 m，巷道所在水平为470水平，地面标高1 066 m～1 123 m，工作面标高为520 m～565 m，巷道埋深约600 m，巷道断面为矩形，宽度4.0 m，高度2.8 m，巷道沿15号煤层底板掘进。15#煤层倾角平均为5°，赋存稳定。煤层结构复杂，普遍含夹石2层，距顶板0.3 m左右的八寸石，厚约0.1 m；距底板2.4 m的驴石，厚约0.1 m，煤层总厚6.32 m，煤层结构为0.3(0.25)3.48(0.1)2.4 m。

2 巷道变形破坏机制

2.1 巷道变形破坏内因

1) 综合应力场高。巷道埋深600 m，垂直应力在15 MPa，原岩应力水平高，加上水平采空区侧向应力集中的影响及本工作面的采动应力影响，造成巷道所处的围岩综合应力水平高，对一般的综放工作面而言，煤层开采引起的采动应力是原岩应力的2倍～5倍，在采动剧烈影响期间，综合应力值水平远高于巷道围岩强度。

2) 煤层的力学性质差。煤岩体强度与围岩应力比差距大是巷道产生较大变形的主要因素之一，煤及底板泥岩强度过低，是造成巷道两帮和底鼓的根本影响因素。

3) 煤层完整性差，受裂隙、夹矸等的影响，煤体裂隙发育。

2.2 巷道变形破坏外因

1) 顶板支护结构不合理

顶板赋存有3.8 m厚软弱煤体，原支护方案主要采用间排距为800 mm锚索，不能有效约束松散的顶煤，使其形成整体。受剧烈采动影响范围内，每排5根锚索一般有3根被拉断，造成控制范围内的顶煤漏空，锚索几乎全部失效，巷道发生大变形和破坏。

2) 顶帮支护不协调

巷道顶板采用全锚索支护与两帮采用圆钢锚杆支护不匹配，圆钢锚杆屈服强度为235 MPa，杆体承载力过低，且巷道支护初期圆钢锚杆不能施加较高的预紧力，无法有效控制两帮变形，且造成顶板和两帮支护强度与刚度的不协调，两帮成为支护的薄弱部位。

3) 锚杆与锚索的锚固方式不合理

锚杆和锚索在软弱松散的煤岩体中锚固性能较差，锚固长度过短无法提供足够的锚固力，锚杆与锚索的锚固力要与其承载力相匹配。原支护方案中锚杆、锚索锚固长度均为1.0 m，锚索锚固长度不合理，造成锚索锚固低，无法发挥锚索强支护作用。

3 煤柱尺寸合理分析

沿采空区掘进巷道合理煤柱尺寸应是在煤柱不出现裂隙、不向采空区漏风、不诱发自燃、有一定的承载能力并能满足回采需要的最小煤柱尺寸。

3.1 理论研究[1-3]

依据极限平衡理论可知，合理的最小煤柱宽度见式(1)。

B=x1+x2+x3

(1)

式中，x1为因上区段工作面开采而在下区段沿空掘巷窄煤柱中产生的破碎区，计算公式见式(2)；x2为窄煤柱一帮锚杆有效长度；x3为考虑煤层厚度较大而增加的煤柱稳定性系数，按0.2(x1+x2)计算。

(2)

式中：m为煤层采厚，m；A为侧压系数；φ0为煤层界面的内摩擦角，(°)；C0为煤层界面的黏聚力，N；k为应力集中系数；γ为岩层平均容重，N；H为巷道埋深，m；Px为对煤帮的支护阻力，kg/m3。因上区段采空区侧采用锚杆支护。

根据经过计算初步计算，可得到孤岛工作面80509回风巷沿空掘巷的理论上合理的煤柱宽度为5.31 m。

3.2 数值模拟分析

利用UDEC3.0数值模拟软件分析80507工作面开采后采空区侧向的围岩应力分布状况，建模时在岩层内的巷道顶板层位设置了监测线，巷道顶板层位应力分布状况。工作面采完后，侧向垂直应力的集中系数为2.58；侧向水平应力的集中系数为1.63。应力峰值位置在煤体内13 m左右，且工作面采后在采空区煤体边缘形成了减压区。

数值计算结果表明，80509回风巷道煤柱宽度在4 m～6 m是较为合适的。结合工程实践经验与理论计算，最终确定煤柱宽度为5.5 m。

4 小煤柱护巷控制对策及方案

4.1 控制对策

1) 高性能锚杆与短锚索支护技术

高性能成套锚杆材料包括高性能杆体、高强度托板及与锚杆配套的一体化安装的扭矩螺母、减摩垫片等。

2) 预拉力钢铰线桁架技术

针对沿空掘巷的围岩支护点，采用钢绞线预应力桁架技术，桁架与锚索配合使用。

3) 注浆加固技术

由于小煤柱承载能力较低，采空区侧向采动压力过大时，容易造成整个煤柱处于塑形变形区，大幅降低了煤柱的抗变形能力，对于孤岛工作面小煤柱护巷，要发挥锚杆、锚索的主动支护作用。

4.2 控制方案

1) 锚杆支护方案

顶板采用等强无纵筋左旋螺纹钢锚杆，规格为Φ20 mm×2 400 mm；单一锚杆排为6根，带锚索为4根。锚杆间排距为0.7 m×0.8 m。锚索排距为2.4 m，每3排锚杆中间布置1排2根锚索，用18#槽钢连接，锚索为Φ17.8 mm×7 300 mm的钢铰线。钢铰线桁架的排距为2.4 m，每3排锚杆布置1套桁架，钢铰线桁架与锚索排等间距布置，钢铰线规格为Φ17.8 mm×7 300 mm，桁架中角锚索的钻孔深度为4.0 m，布置角度均为30°。桁架锚索用M型钢带与桁架连接器连接。煤帮锚杆单一锚杆排为4根，带桁架锚索为2根，间排距0.8 m×0.8 m；两帮锚索采用Φ17.8 mm×6 500 mm的钢铰线，上顶角锚索钻孔深度为4.0 m，下底角的钻孔深度为3.0 m，布置角度均为30°，锚索初始张拉不低于250 kN，锚杆预紧扭矩不低于300 Nm。

2) 注浆加固方案

两帮每隔2排锚杆打1个注浆孔，注浆孔深为2.0 m，两孔间距1.0 m，靠帮底锚杆以10°左右方向向下打，帮顶锚杆30°向上打，注浆排距1 600 mm。顶板注浆孔间排距2.4 m×2.4 m，注浆孔深为2.0 m。注浆材料选用松散煤(岩)加固剂1#，由双组分树脂与催化剂构成，使用中由树脂与催化剂以体积比1∶1混合生成。注浆压力为1.0 MPa～1.5 MPa，一般不超过2.0 MPa，预计每个注浆孔的注浆量为30 kg/孔。

5 控制效果评价

为了分析沿空巷道的变形规律，在综放面沿空巷道内布置了监测测点，矿压监测结果表明，随着回采工作面的推进，沿空掘巷超前影响范围约为85 m。在回采工作面位置，即回采工作面端头的位置，沿空巷道的变形量最大，其中，顶底板相对移近量最大约为0.5 m，两帮移近量最大值为1.0 m，在距离回采工作面约25 m处，两帮累计移近量约为顶底板累计移近量的2倍。

6 结论

1) 巷道变形破坏是内因和外因共同作用的结果。

2) 数值模拟分析了采空区侧向应力分布规律和不同留设煤柱宽度下巷道顶板的变形规律，结合理论计算和工程实践，确定了80509沿空掘巷的窄煤柱尺寸为5.5 m。针对小煤柱护巷特点，提出了采用锚杆支护与注浆加固综合控制方案。

3) 井下高应力孤岛综放面小煤柱沿空掘巷试验表明，采用文中设计方案后，顶底板相对移近量最大0.5 m，两帮移近量最大1.0 m，满足了工作面回采需要，提高了采区回采率，取得显著经济效益和技术效益。

[1] 刘小峰.小煤柱动压掘进巷道控制技术研究[J].煤矿开采,2011,16(1):64-66.

[2] 李潞斌，何杰.孤岛工作面护巷煤柱宽度及支护技术研究[J].煤矿开采, 2013,18(3)：66-68.

[3] 何杰，王中奎，李光营.复杂地质条件下大断面切眼支护技术[J].煤矿开采,2012,17(4)：60-62，72.

Study on surrounding rock comprehensive control technology of small coal pillar tunneling in isolated island working face

YANG Zhaoxia1, ZHAO Mingxia2

(1.Second Coal Mine, Yangquan Coal Group, Yangquan Shanxi 045000, China；2.Shanxi Instuite of Technology, Yangquan Shanxi 045000, China)

In view of the features of Yangquan coal mine with buried depth, poor coal pillar protecting roadway, high support cost and difficult maintenance, and based on engineering environment characteristics of isolated working face 80509 return air roadway surrounding rock, this paper analyzes roadway deformation and failure mechanism, and uses theoretical analysis, numerical simulation and engineering practice to determine the reasonable size of coal pillar is 5.5 m, and puts forward the control countermeasure of the tunnel.

isolated island working face; small coal pillar mining roadway; comprehensive control technology

2016-07-29

杨朝霞，男，1979年出生，2012年毕业于大同大学，本科学历，采煤工程师，从事矿山压力和巷道支护工作。

煤矿工程

10.16525/j.cnki.cn14-1109/tq.2016.05.29

TD263

A

1004-7050(2016)05-0095-03