小煤柱工作面煤柱失稳机理及控制技术探讨

孟建国， 田王健

（1.阳泉市燕龛煤炭有限责任公司， 山西 阳泉 045000；2.山西煤炭运销集团科学技术研究有限公司， 山西 太原 030006）

随着煤矿生产技术水平的不断发展，小煤柱及无煤柱工作面在我国各大煤矿中广泛应用，小煤柱工作面回采大大提高了工作面回采产量，但是回采巷道小煤柱围岩控制一直是煤矿想要攻克的难题。因受回采应力、地质条件、回采工艺影响，小煤柱出现失稳现象，主要表现在煤柱片帮、肩角煤柱垮落等，严重影响着小煤柱巷道整体稳定性，极易发生煤矿安全事故。对此，程庄煤矿为了保证后期15310 小煤柱工作面安全顺利回采，对传统小煤柱工作面失稳机理进行分析，并对15310 工作面小煤柱巷道提出了“穿拉锚索+支设T 型钢棚”联合支护设计。

1 15310 工作面概述

15310 工作面位于井田西北部、15 号轨道大巷以北，西部为15312 设计工作面（尚未布置），南部为15 号煤层主要开拓大巷，东部为15308 设计工作面（尚未布置），北部为盂县恒泰皇后煤业有限公司。经对周边矿井进行调查，矿井双方均留设矿界保护煤柱，本面上覆9 号煤层为9506 工作面采空区及上覆9 号煤层越界采空区。

15310 工作面设计走向长度为1 092 m，倾向长度为232 m，工作面回采煤层为15 号煤层，煤层赋存稳定、结构简单，煤层厚度最大为7.4 m，最小为6.2 m，平均煤厚6.8 m。截至目前工作面处于设计阶段，为了提高工作面煤柱回采量，减少工作面回采后采空区内遗煤量，决定对15310 工作面采用小煤柱回采工艺，即15310 工作面与15308 工作面之间的安全煤柱设计宽度为6～8 m，工作面回采期间对小煤柱巷道采取加强支护措施，保证工作面回采过程中对小煤柱产生的影响较小，从而便于下一个工作面回采利用；工作面采用小煤柱回采施工时，必须对小煤柱的稳定性及安全维护予以充分考虑。

2 煤柱失稳机理分析

针对其他煤矿小煤柱工作面在回采过程中出现煤柱失稳现象，对其原因进行合理分析。

2.1 煤体稳定性差

传统小煤柱工作面预留的小煤柱为全煤或半煤岩，以15310 工作面为例，预留煤柱为全煤，煤体结构复杂，煤体整体稳定性差，煤体单轴抗压强度不足20 MPa，在回采应力作用下煤柱整体支撑强度降低，出现煤柱失稳现象，主要表现为肩角煤柱垮落、煤柱片帮等。

2.2 应力破坏作用

工作面在回采过程中产生超前应力，该应力对工作面前方煤壁及顶板产生破坏作用，致使煤体及顶板产生高密度裂隙，且裂隙向小煤柱内延伸，导致小煤柱失稳现象严重，主要表现为煤柱片帮、垮落等，降低了小煤柱承载能力。

2.3 支护效果差

传统小煤柱主要采用单一的锚杆进行支护，而小煤柱预留宽度为6.0 m 左右，小煤柱在回采应力作用下，柱体出现破碎现象，且柱体内形成围岩松动圈，而原支护设计的锚杆长度为2.0 m，锚杆锚固段位于围岩松动圈内，锚杆支护锚固效果差，支护失效现象严重。

3 小煤柱控制技术

为了解决传统小煤柱锚杆支护过程中存在的技术难题，提高小煤柱整体稳定性，决定对小煤柱采取“穿拉锚索+支设T 型钢棚”联合支护措施。

3.1 穿拉锚索

3.1.1 穿拉锚索支护原理

通过对小煤柱施工2 个斜角支护穿孔，对穿孔内安装2 根高预应力锚索，在锚索一端安装张拉器，在另一端安装高强度支护托架，锚索在张拉器作用下产生张拉力，并通过锚索传递至托架上，从而使托架对煤柱产生垂直应力，削弱小煤柱内部应力对煤柱破坏作用。

3.1.2 穿拉锚索支护结构

每组穿拉锚索主要由2 根锚索、2 根JW 型钢带组成，其中锚索长度为8.0 m，直径为21.8 mm，JW型钢带长度为1.8 m，宽度为0.32 m，厚度为4 mm，在钢带上均匀焊制2 个直径为25 mm 的锚索支护孔，孔间距为1.5 m。

3.1.3 穿拉锚索支护工艺

1）小煤柱工作面在回采过程中，小煤柱出现的破碎区域位于顶板往下1.5 m 范围内，所以决定对该区域施工穿拉锚索支护。

2）首先采用锚索钻机在小煤柱上施工锚索钻孔，第一个钻孔施工在距顶板0.4 m 处，第二个钻孔施工在距顶板2.2 m 处，钻孔施工到位后与对面巷帮穿通；每组钻孔排距为1.5 m，每组钻孔排距为1.0 m。

3）钻孔施工完成后，在同一组钻孔内安装2 根锚索，然后在锚索两端各安装1 根“JW”型钢带，钢带安装后在钢带与锁具之间安装一个让压器，让压器长度为0.4 m，最大让压长度为0.3 m，让压器安装后进行预紧，预紧力控制在200～250 N·m 范围内。

3.2 支设T 型钢棚

为了进一步提高15310 工作面回采过程中小煤柱巷道顶板稳定性，防止因顶板失稳导致小煤柱垮落现象发生，决定在小煤柱回采巷道内架设T 型钢棚。

1）T 型钢棚主要由顶梁、棚腿、底座、卡缆等部分组成；顶梁长度为1.2 m，主要为π 型钢梁，棚腿长度为3.5 m，棚腿主要采用工字钢梁制成；底座主要采用厚度为6 mm 钢板制成，底座上焊制4 个地锚固定孔。

2）T 型钢棚安装顺序为：底座→棚腿→顶梁，T型钢棚安装在距小煤柱0.5 m 处，安装时顶梁与巷道走向平行布置，安装间距为1.0 m，小煤柱巷道联合支护情况如图1 所示。

图1 小煤柱巷道联合支护平面示意图（mm）

4 结论

1）小煤柱施工穿拉锚索依据的是桁架锚索支护原理，与传统锚杆支护相比，避免了因煤柱宽度有限，锚杆（索）在煤柱内锚固效果差、预应力传递阻力大等技术难题。

2）对小煤柱巷道安装T 型钢棚后，实现了原顶板锚杆（索）主动支护与钢棚被动支护联合支护作用，提高了小煤柱巷道顶板整体稳定性，同时削弱了顶板应力对小煤柱破坏作用，防止了煤柱垮落、破碎现象，为下一个回采工作面安全高效开采奠定了基础。