深井沿空巷道小煤柱护巷机理及支护技术

（山西汾西矿业两渡煤业有限责任公司 山西 031302）

煤矿开采深度增加、能源需求量提高，较多深部矿井于采空区一侧回采巷道中，会使用留窄煤柱沿空掘巷方式处理，然而开采深度变化所致沿空巷道维护工作有一定挑战，这对于工作面建设构成阻滞。针对于此，需要明确沿空巷道煤柱的尺寸、加强煤矿生产管理，并有效运用支护技术处理，从而降低煤柱变形情况的发生，确保深井沿空巷道支护工作的效率、安全。

1.工程概况情况概述

以某煤矿工程为例，其工作面煤层厚度为6.55m、存在3层夹矸，直接顶为容易冒落的泥岩，平均厚度为3.06m；基本顶细砂岩厚度约为1.88m；底板细砂岩厚度在2.24m左右，埋深约为310m。待上一工作面回采完成后通过综采开采技术处理，区段回风平巷使用沿空留巷小煤柱护巷高强度锚杆支护，顺着底板掘进。沿空测小煤柱的宽度、排距、顶锚杆尺寸、锚固长度，以及帮锚杆尺寸、锚固长度分别设置为：4m、850mm、20mm*2200mm、1.5m、20mm*1800mm、1.2m，间隔4m位置于巷道中布设1根锚索，钢绞线的长度、直径及树脂药卷锚固长度设置为：8.2m、15.25mm、1.4m。组合构件W强力钢带尺寸5mm*260mm，顶煤、两帮应用金属经纬网达到辅助支护的目的，采空区侧小煤柱使用圆钢锚杆支护，间排距设置为800mm*800mm，巷道掘进、回采的过程，应对巷道围岩变形加以检查。通过单体液压支柱超前支护，顶板、底板移动速度降低，两帮移动速度增加，然而两帮整体性能尚可、未见片帮问题。由此表示，经高强锚杆支护可提高深井沿空巷道掘进效率、回采围岩的稳定性。

2.深井沿空巷道围岩变形主要规律的分析

沿空巷道，即为煤体—采空区的巷道，作为煤柱护巷的基本形式，在右侧工作面开采后基本顶下沉，并且会于采空区边缘断裂，这时煤体顶板弯曲且呈一定角度，于采空区倾斜侧向支撑压力煤体内部发生转移[1]。当顶板弯曲、下沉，以及以支撑压力转移，边缘煤体受到严重破坏，这时会形成破碎区，煤体边缘范围内可形成应力降低区，这时为沿空掘巷创设了良好条件。巷道煤柱左侧掘出后，会于围岩内形成破碎区，此时煤柱两侧可见破碎区，不但承载力下降，而且左侧工作面开采过程会形成超前支撑压力，发生煤柱压缩破碎问题的同时，顶板易发生二次断裂问题，致使巷道压力加大、变形量增多，而这也是深井工作面沿空掘进巷道工作面，超前支撑压力作用下维护困难的基本原因。

3.深井沿空巷道小煤柱护巷机理状况研究

(1)顶板支撑压力分布规律研究

工作面顶板支撑压力分布为动态的，会随着工作面推进而发生改变，顶板约束条件下经四周嵌固—两侧嵌固发生转变，弯矩会朝着两侧—煤壁产生转移，以此致使顶板顺着两侧煤壁嵌固端发生断裂，顶板应力会受到煤壁距离的变化影响。因煤壁四周应力＞煤层基线抗压的强度，所以边缘煤体容易受到破坏、承载能力下[2]。趋于该种状态下，遭受顶板自重因素、采动附加应力因素影响，顶板则会于两侧煤体内部断裂，逐渐形成断裂口线为主的应力区。断裂线、煤体边缘间中断裂岩梁自重关系到低应力区，断裂线外侧经上覆岩层整体重量关系到高应力区，如图1。

图1 顶板支撑

(2)正确梳理煤柱宽度、围岩变形间的关系

护巷煤柱宽度、围岩变形率间的关系，能够客观评判煤柱是否稳定，经试验证实巷道围岩变形、护巷煤柱宽度关系紧密，煤柱宽度增加、围岩变形率则会随之变化。

(3)认真计算小煤柱的宽度

结合煤柱宽度、围岩变形率关系，明确煤柱的宽度后经工作面支撑压力分布确定最终煤柱宽度。经过对巷道围岩应力分析能够明确，四周采空区煤体存在以下几个区域：应力降低区、升高区，以及原岩应力区[3]。为防止巷道位于应力升高区，建议在塑性区、弹性区交界位置将护巷煤柱设置过小的话，因煤柱内部为破碎区、塑性区，在承载力及稳定情况方面较弱，锚杆处于破碎围岩范围，不但锚固力非常小且无法提高煤柱的稳定性、安全性。针对于此，需确保煤柱宽度设置适中，以便降低承载力、确保煤体为完整区域，如此一来利于降低巷道支护体的载荷，提高巷道围岩的完整性，同时可以有效降低煤炭资源浪费，及其构成的不良影响。

4.深井沿空巷道小煤柱护巷支护技术及支护方案探讨

明确深井沿空巷道小煤柱的尺寸前，需要考虑到支护的方式，究其原因和不同支护方式对于煤柱尺寸留设会构成直接影响存在紧密联系。通过研究发现，锚杆支护能提高锚固体力学的相关参数，主要为锚固体受到破坏前、后参数φ，对岩体摩擦角φ构成的影响，内聚力升高的幅度较小，锚固区域岩体峰值强度、峰后强度提高，锚杆支护技术的应用，促使围岩经二向/单向应力的方式转变，形成三向应力状态可提高围岩承载方面的能力，为巷道维护工作奠定坚实基础[4]。锚固体强度中，通过锚固体极限强度、锚固体残余强度，以及锚杆支护强度、锚固体极限强度时内聚力、锚固体极限强度时内摩擦角、锚固体残余强度时内聚力、锚固体残余强度内摩擦角分别通过：σ1（MPa）、σ1*（MPa）、σ3m（MPa）、C（MPa）、φ（°）、C*（MPa）、φ*（°）表示。其中，σ1和σ1*会随着σ3m、C、φ、C*、φ*而变化，特别需要注意的是σ3m提高直接关系到围岩强度。故而，建议使用预紧力、强力锚杆，以及锚索和强力钢带等，有效保证围岩的强度非常必要，进而能够确保围岩承载方面的能力、强力锚杆力学性能。区段煤柱尺寸、支护方式相匹配，便于提高锚杆的性能，保证锚杆参数设置的科学性、可靠性。此外，可通过窄煤柱护巷回采巷道锚网带、支护方法处理，以便不断提高巷道围岩的承载力。

试验段小煤柱的宽度在7.5m左右，承载力和以往留设煤柱比较应收缩下降，而这也是成巷质量差的主要原因之一，稳定区内应力＞10MPa应力集中系数＞2倍，完成工作面回采工作遗留煤柱，会于较高应力条件下对下方煤层工作面布置构成不利的影响，所以建议将护巷煤柱宽度设置为5m，同时对试验段巷道作以封闭加固处理，支护方案：（1）反底拱回填混凝土锚注方案，采动时小煤柱承载压力作用下，底板遇水会发生膨胀所致底鼓问题，因此围岩变形问题比较凸显。经反复拉底无法处理上述问题，因而应实行底板超挖处理，目的为逐渐形成反底拱，对反底拱垂直打设孔注浆锚杆作以锚注处理，将间距设置为1.2m。在此之后，回填混凝土强度提高达到90%以上。（2）中空锚杆注浆加固小煤柱方案，中空锚杆以780mm*780mm尺寸布设，邻近顶板位置向上倾斜15°左右后注浆，旨在提高小煤柱承载方面能力，2排锚杆间打1排锚索确保整体补强支护效果，如图2[5-7]。（3）超前架棚巷道支护方案，使用小煤柱进行开采，因受到采动因素的影响，因此工作面前方、后方（50m、80m）均为应力升高区，建议施行架棚支护处理。实际支护的过程将架棚的排距设置为0.7cm，如图3。

图2 注浆

图3 超前架棚巷道支护

5.结语

经研究发现使用小煤柱护巷可确定小煤柱尺寸，提高小煤柱稳定及可靠的性能。与此同时，采取高强度锚杆支护，在提高围岩力学参数、小煤柱承载力，以及围岩承载力等多个方面优势突出，并且应该加强对深井沿空巷道应力的深入分析，确定支护方案、煤柱宽度，如此便于降低超前支撑压力所致不良影响，对深井沿空巷道进行有效维护，确保巷道围岩为稳定的状态。