侧向支承应力作用下6.0m小煤柱巷道加固技术研究

于 斌，姚强岭，王少卿，夏 泽

(1.大同煤矿集团有限责任公司，山西 大同 037003；2.中国矿业大学 矿业工程学院，江苏 徐州 221116)

回采巷道是服务于井工煤矿正常生产和安全的重要通道，井工煤矿长壁工作面回采期间的生产进度和生产安全在很大程度上取决于工作面回采过程中回采巷道的围岩稳定性，并且回采巷道的护巷煤柱的留设尺寸与采区内煤炭资源的资源回收率有很大的联系[1-4]。维护回采巷道围岩稳定性所需的传统矿压理念下的护巷煤柱尺寸不断增大，尤其是煤厚超过5m或走向长度超过1000m的工作面，留设大型煤柱在一定程度上造成了极大的资源浪费。为了提高采区煤炭资源的采出收率，留设小煤柱成为当下发展的趋势[5-8]。小煤柱在周围巷道掘进完成后进入高应力二向应力状态，使煤柱煤体发生破坏。随着两侧工作面的先后回采，工作面开采导致的动压影响将促使煤体进一步破坏，造成煤柱锚杆锚索受力较大，甚至发生破断，从而使支护失效，引发事故，严重影响了煤矿的安全生产形势，很大程度上制约了安全高效煤矿的常态化建设[9，10]。

因此，有必要对小煤柱巷道应力分布及加固技术研究进行研究。Li等[11]针对两个小煤柱应用实例，建立了经过严格标定的数值计算模型，对小煤柱的垂直应力演化进行了研究；文献[5，12，13]通过数值计算方法，研究了不同尺寸护巷煤柱宽度对工作面推进过程中回采巷道围岩应力时空演化和变形破坏规律的影响，总结概括了回采巷道护巷小煤柱评价、设计方法；陈金宇等[14]通过FLAC3D模拟研究了护巷煤柱在复杂应力环境下的应力演化规律，提出了煤柱加固方案；冯伟等[9]采用预应力对穿锚索加固回采巷道护巷小煤柱，使工作面回采期间巷道小煤柱帮的围岩变形得到了有效控制，保证了回采巷道在服务期间的稳定性要求；杨竹军[15]针对厚煤层留设小煤柱条件下的巷道支护技术难题，采用理论分析和数值模拟的方案，对顶板超前钻孔形成预裂切缝技术进行了研究，采用非爆破的方式实现基本顶断裂位态的主动控制，优化巷道顶板承载结构，有效降低覆岩关键块对煤柱的附加载荷，进而确保巷道稳定性；张文彬[16]研究了综采工作面小煤柱注浆加固工艺及效果，研究表明通过注浆加固小煤柱能够保持回采巷道的稳定，满足安全生产的需要；代进等[17]基于采煤工作面上覆岩层运动规律和砌体梁平衡理论，分析了大采高工作面小煤柱沿空巷道上覆关键层顶板断块下沉运动特征，探讨了大采高条件下沿空巷道围岩的破坏特点和工程可支护性能，提出了针对沿空巷道不同部位的围岩应采用不同的支护机理和支护参数，并在济三煤矿53下12工作面进行了试验，确保了巷道的安全使用，同时也取得了较好的经济效益。

结合山西省大同市塔山煤矿三盘区8311与8312工作面实际的工程地质条件和采掘空间布局实际情况，建立了FLAC3D有限差分数值计算模型模拟研究了小煤柱巷道应力分布规律，并在现场实测通过对穿锚索复原小煤柱的三向约束应力状态，有效地提高了小煤柱的承载能力。

1 工程概况

塔山三盘区8311工作面主采山4#煤层，工作面岩层情况如图1所示。

图1 8311、8312工作面岩层柱状图

8311工作面与8312工作面布置如图2所示。2312巷内原加强支护整体性较差。回采过程中，由于8311工作面顶板中存在的坚硬、完整的厚岩层，坚硬顶板岩层不但不能及时、完全冒落，甚至形成永久性的悬臂式结构，增加了作用于临近工作面的附加应力，对临近8312工作面2312巷支护，尤其2312巷与2311巷间6m小煤柱，造成不良影响。

图2 8312、8311工作面工程平面(m)

2 小煤柱应力分布数值模拟研究

2.1 数值计算

根据8311和8312工作面的埋深在模型上边界施加11.8MPa的垂直应力。各煤岩层本构模型采用莫尔-库伦模型，数值模拟采用的煤岩层物理力学参数见表1。

2.2 模拟方案

主要研究8311工作面开采过程中2312巷围岩应力演化，因此只开采8311工作面。模拟方案如下：

表1 岩石物理力学参数

1)首先开挖8311工作面巷道，每步开挖9 m，每步开挖完成后及时支护，并进行500步运算平衡。

2)待模型运算稳定后，开挖8312工作面巷道，每步开挖9m，每步开挖完成后及时支护，并进行500步运算平衡。

3)两巷开挖完成后，对8311工作面进行分步回采。

2.3 小煤柱巷道应力分布演化

图3 2312巷围岩应力分布

在8311工作面回采过程中2312巷围岩应力分布随8311工作面推进距离变化的演化规律如图3和图4所示，图中相对距离为负值时代表工作面尚未经过测站，反之则已经推过。由图3与图4分析可得：

图4 8311工作面回采过程中煤柱应力峰值变化

18311工作面回采伊始，由于测站距离工作面较远，2312巷围岩应力分布主要受已掘进的两条巷道影响，在2312巷两帮形成应力增高区。其中，煤柱帮受2311巷与2312巷叠加影响，导致煤柱帮应力水平高于工作面帮。

28311工作面开始回采后，受超前支承应力作用影响，煤柱应力峰值开始增长。由于8311工作面前方煤体承载了大部分采空区顶板载荷，煤柱受超前支承应力作用较小，煤柱峰值应力增长较为缓慢。

38311工作面推过测站后，由于2312巷围岩紧邻8311工作面采空区，煤柱应力峰值在侧向支承应力作用下，迅速增长。并且，随着8311工作面继续推进，测站附近采空区悬顶面积不断增加，煤柱应力峰值增长速度加快，直至采空区顶板触矸后逐渐稳定。

3 小煤柱补强支护技术方案

3.1 小煤柱支护补强加固方案

为了保证2312巷经过多次采动影响下能够保证正产安全高效回采，有必要对小煤柱煤体进行加固。

根据现场实际工程地质条件，在保证安全高效生产的前提下，通过在2312巷小煤柱帮每排布置2根1×19型21.8mm高强钢绞线，还原小煤柱三向约束应力转态，对穿锚索间排距均为1200mm×2400mm，如图5所示。采用14(a)槽钢作为钢带配合规格为100mm×100mm×10mm的Q235鼓形托盘对小煤柱进行支护。锚索张拉力不低于230kN。由于2312巷内8311工作面附近矿压显现较为明显，所以超前8311工作面50m进行施工。

3.2 小煤柱巷道顶板支护补强方案

2312巷小煤柱所受顶板载荷主要来源于2312巷坚硬厚层顶板的回转下沉，为改善2312巷小煤柱应力环境，有必要对2312巷顶板进行加强支护，达到抑制顶板发生离层，减少2312巷顶板回转下沉的目的。通过沿2312巷煤柱侧布置高强度锚索对顶板进行加强支护，每排布置1根1×7型∅21.8mm×9300mm高强钢绞线，排距为2400mm，配套规格为300mm×300mm×16mm的Q235鼓形托盘，锚索张拉力不低于230kN。由于2312巷内8311工作面附近矿压显现较为明显，所以超前8311工作面50m进行施工。

在超前工作面20m至滞后工作面40m范围内，采用单体液压支柱配合铰接顶梁及铁鞋的被动支护方式，在2312巷煤柱侧打设1排密集支柱进行超前支护，排距1.0m，距煤柱0.3m。

图5 对穿锚索支护断面(mm)

3.3 小煤柱补强支护技术工业性试验

3.3.1 2312巷矿压监测布置

为获取2311巷围岩侧向支承压力动态演化规律，于2312巷在煤柱内布置钻孔应力计进行监测。钻孔应力计测站包含10个钻孔应力计，煤柱帮各测点间距为1m。围岩深部应力监测测站设计如图6所示。并通过交叉测量方法，对2312巷在两侧回采过程中的围岩变形进行了监测。

3.3.2 22312巷矿压显现规律

2312巷各测站侧向支承压力随8311工作面位置变化的监测结果如图7所示。分析图8可知，2312巷侧向支承压力随着距8311工作面的距离变化趋势与随着时间的变化趋势整体相同。根据应力增量变化曲线，可知2312巷应力有以下规律：①煤柱内部应力不断降低，尤其煤柱内部靠近表面处，围岩破碎更为严重，围岩应力增量降低幅度更大；②煤柱承载能力不断降低，但目前煤柱仍具有一定的承载能力，需及时对煤柱进行加强支护提升其承载能力；③2312巷受8311工作面采动影响范围为工作面超前40m至滞后100m范围内；④煤柱承载能力降低导致顶板载荷向2312巷转移，2312巷煤壁帮内部应力不断升高。

2312巷围岩变形监测结果如图8所示，在8311工作面回采过程中，工作面前方60m范围内2312巷围岩在超前支承应力作用下开始发生变形，工作面后方100m范围外2312巷围岩变形逐渐稳定。巷道中央顶板的最大收敛量为241mm，两帮移进量最大为521mm。巷道服务期间未出现片帮、冒顶等现象，考虑到巷道截面对运输和行人的要求，支护方法优化后的2312巷可以满足要求，这表明2312巷的稳定性得到了有效的保持。

图7 2312巷围岩压力监测结果

图8 2312巷围岩变形监测结果

4 结 语

1)基于塔山煤矿8311与8312工作面工程地质条件，通过FLAC3D数值模拟分析了8311工作面回采过程中小煤柱应力分布演化。随工作面与测站相对位置变化，小煤柱先后承受超前支承应力与侧向支承应力作用，煤柱应力逐渐增大。

2)以8311与8312工作面为工程背景，提出基于对穿锚索加固小煤柱配合顶板支护方案和不对称锚架补强支护方案。现场监测过程中，巷道中央顶板的最大收敛量为241mm，两帮移进量最大为521mm，能够满足巷道服务期间的安全生产要求。