李世和

(陽泉煤業(yè)(集團)有限責任公司寺家莊礦，山西省陽泉市，045000)

由于小煤柱沿空掘巷技術具有提高煤礦資源回收率、提高煤層瓦斯抽采效率等優(yōu)點，目前已在煤礦得到普遍的推廣和應用。小煤柱沿空掘巷技術的關鍵是維護巷道圍巖安全可靠性，許多學者對小煤柱沿空掘巷圍巖破壞機理與巷道支護技術開展大量的研究，取得了豐碩的成果。華心祝等提出沿空掘巷基本頂?shù)牧W模型，推導出受動壓影響時巷道頂板下沉量的計算公式，據(jù)此進行巷道支護參數(shù)設計和工程實踐。何富連等針對孤島工作面沿空掘巷支護難題，提出高強度、高預緊力錨桿與斜拉錨索梁結(jié)構(gòu)聯(lián)合控制技術。煤炭科學研究總院康紅普院士團隊在巷道圍巖地質(zhì)力學測試、動態(tài)信息支護設計、高強度與高剛度支護材料、快速施工機具與工藝、工程質(zhì)量檢測與礦壓監(jiān)測及錨固與注漿聯(lián)合加固方面開展了多年研究，在各類煤礦復雜困難巷道進行工程實踐，圍巖強烈變形情況得到有效控制。

綜上所述，本文基于寺家莊礦特厚煤層孤島工作面7 m小煤柱沿空掘巷復雜開采條件，采用多項研究手段，從地應力測試、巷道支護優(yōu)化、錨桿錨索布置方式、施工工藝等方面進行系統(tǒng)優(yōu)化和改進，提出巷道支護綜合治理技術，可為類似條件下的煤巷圍巖控制提供一定的參考。

1 工程背景

15106工作面位于寺家莊礦中央盤區(qū)，工作面鄰近北部有4條已掘中央盤區(qū)準備巷道，南部無采掘工作面。15106工作面東部為15108工作面，(已于2013年7月回采結(jié)束)，西部為15104工作面(已于2011年5月回采結(jié)束)，工作面之間煤柱尺寸均為7 m。15106工作面地面標高965～1080 m，井下標高511～550 m，巷道平均埋深492 m。15106工作面進風巷沿15#煤層頂板掘進，15106進風巷巷道斷面為矩形，掘進寬度5.4 m，掘進高度4.5 m。15#煤層平均厚度5.35 m，平均傾角6°。15106工作面巷道布置如圖1所示。

圖1 15106工作面巷道布置示意圖

2 巷道支護重難點分析

分析寺家莊礦小煤柱沿空掘巷巷道支護存在的重難點，主要體現(xiàn)在以下幾方面。

2.1 煤柱尺寸小，經(jīng)受多次動壓，應力情況復雜

以井下正在掘進的15106回風巷為例，由于煤柱尺寸僅7 m，巷道所處的應力環(huán)境惡劣，巷道在掘進期間出現(xiàn)底鼓現(xiàn)象，巷道底鼓量達500 mm。

2.2 巷道沿頂?shù)撞贾?，巷幫支護難度大

寺家莊礦巷道沿15#煤層頂?shù)装寰蜻M，巷道高度4.5 m，局部地段巷道高度達5 m以上，巷道高度大，兩幫支護難度大，變形嚴重，在鄰近工作面采空區(qū)壓力作用下巷道兩幫嚴重擠壓變形，巷道整體變形量較大。

2.3 巷道圍巖條件差，穩(wěn)定性差

寺家莊礦15#煤層厚度大，平均厚度超過5 m，特別是15#煤層頂部2～3 m范圍內(nèi)煤體強度低，松軟破碎，穩(wěn)定性差，存在隨掘隨冒的現(xiàn)象，片幫嚴重，控制難度較大，特別是經(jīng)過地質(zhì)構(gòu)造和高瓦斯含量的區(qū)域，巷道兩幫成型差，巷幫錨固力很難滿足要求。

2.4 瓦斯抽采對巷道支護的影響

寺家莊礦是高突礦井，15#煤層瓦斯含量高，施工前需底抽巷施工超前預抽孔，施工區(qū)域瓦斯抽放孔呈扇形布置，多種鉆孔交叉布置，導致巷道兩幫煤質(zhì)松軟及空洞。

3 窄煤柱沿空掘巷巷道支護技術優(yōu)化

3.1 錨桿錨索支護前期試驗與測試

在巷道支護設計之前，在15106進風巷開展大量錨桿和錨索錨固性能測試，測試數(shù)據(jù)見表1。試驗結(jié)果表明，直徑20 mm、鋼號500號、長度2.2 m、采用1支Z2360樹脂錨固劑的錨桿錨固力達到157 kN。頂板錨索采用直徑21.8 mm、長度6.2 m、1支CK23120樹脂錨固劑，錨固力達到350 kN。幫部錨索采用直徑17.8 mm、長度4.2 m、2支Z2360型樹脂錨固劑，上部、中部和下部煤層平均錨固力分別為145 kN、191 kN和214 kN，呈現(xiàn)明顯的上軟下硬現(xiàn)象，其中幫錨索帶箍能夠明顯提高錨索錨固力。

表1 寺家莊錨桿錨索錨固性能試驗數(shù)據(jù)

3.2 巷道圍巖地質(zhì)力學參數(shù)測試

2016年12月寺家莊礦在15106工作面運輸下巷進行了巷道圍巖地質(zhì)力學參數(shù)測試，測試內(nèi)容包括巷道圍巖應力、圍巖強度和圍巖結(jié)構(gòu)。測量數(shù)據(jù)表明，寺家莊礦15#煤層最大水平主應力14.20 MPa，最小水平主應力7.27 MPa，垂直主應力9.44 MPa，最大水平主應力方向為北偏西48°。巷道頂板強度測試數(shù)據(jù)表明，測試地點頂板以上0～2.2 m范圍內(nèi)為泥巖，平均強度32.22 MPa，2.2～7.8 m范圍內(nèi)為泥質(zhì)砂巖，平均強度46.07 MPa，7.8～10.0 m范圍內(nèi)為細砂巖，平均強度37.86 MPa。15#煤層平均強度15.10 MPa，其中上部煤層強度低，煤質(zhì)松軟，下部煤層強度高。

3.3 支護材料升級優(yōu)化

寺家莊礦原有煤層巷道頂板采用全錨索+波紋鋼帶支護，錨索直徑21.6 mm，長度7.2 m，巷幫采用圓鋼錨桿+錨索+鋼筋托梁聯(lián)合支護，存在支護構(gòu)件不匹配、頂幫支護不協(xié)調(diào)的問題，影響巷道支護效果。針對這種情況，研發(fā)出300 mm×280 mm×14 mm異形拱形托板，承載能力不低于607 kN，并配合高強調(diào)心球墊，力學性能與W型鋼帶配套。幫錨索采用300 mm×300 mm×12 mm的拱形托板，承載能力不低于353 kN，托板厚度12 mm，在保證托板強度的基礎上，適當降低托板厚度，實現(xiàn)降本增效的效果。

3.4 巷道支護核心參數(shù)

錨桿錨索預緊力是巷道支護中的核心參數(shù)，對巷道支護效果起到關鍵作用。設計巷道錨桿預緊力矩從原有的120 N·m增加至400 N·m，頂板錨索預緊力從200 kN增加至300 kN，幫部錨索預緊力從100 kN增加至200 kN。同時對現(xiàn)有巷道施工機具進行升級，配備性能可靠的錨桿錨索預緊力施工和檢測機具，例如8～10倍放大系數(shù)的錨桿扭矩倍增器、高轉(zhuǎn)化系數(shù)的錨索張拉千斤等，保證錨桿錨索順利施工。

4 工程實踐

4.1 正常段巷道支護設計

根據(jù)錨桿錨索支護前期試驗測試結(jié)果和巷道圍巖地質(zhì)力學參數(shù)測試數(shù)據(jù)，并結(jié)合數(shù)值模擬和工程實踐經(jīng)驗，最終初步確定寺家莊7 m小煤柱沿空掘巷15106進風巷正常地段支護參數(shù)如圖2所示。

圖2 15106工作面進風巷錨桿支護初始設計示意圖

由圖2可知，采用W型鋼帶和異形錨索托板進行護頂，其中頂板布置5根直徑21.8 mm、長度6.2 m的錨索，W型鋼帶寬度280 mm，長度5.3 m，間距1250 mm，排距900 mm。巷幫上部布置3根直徑17.8 mm、長度4.2 m的錨索，下部布置2根直徑20 mm、長度2.2 m的500#螺紋鋼錨桿，間距900 mm，排距900 mm。頂板采用單層經(jīng)緯網(wǎng)，巷幫采用雙層菱形金屬網(wǎng)。

4.2 特殊段巷道支護設計

由于15104回風巷在掘進過程中每隔50 m布置1個長度5.0 m、寬度4.2 m的瓦斯鉆場，因此15106進風巷后續(xù)掘進至15104工作面采空區(qū)鉆場時，巷道煤壁寬度約2.8 m，屬于特殊復雜地段，無法正常施工幫錨索，為保證巷道安全穩(wěn)定，小煤柱巷幫采用直徑20 mm，長度1.5 m的500#螺紋鋼錨桿。

另外，15106工作面進風巷掘進至距離采空區(qū)鉆場小煤柱巷幫2 m時停止掘進，采用木點柱進行加強支護，在巷道掌頭中上部施工2個注漿孔，1號注漿孔與掘進方向成60°布置，2號注漿孔與掘進方向成45°布置。注漿材料為羅克休或科瑞特。已掘巷道煤柱巷幫錨桿錨固力不足時，采用注漿的方法對煤巖體進行加固封閉，注漿材料為煤巖體加固劑，注漿孔間距2 m，深度4 m，注漿滯后工作面煤頭5 m。

4.3 礦壓監(jiān)測與分析

4.3.1 支護體受力特征分析

對頂板錨索、幫部錨索和幫部錨桿受力情況進行監(jiān)測，監(jiān)測結(jié)果如圖3所示。由圖3可以看出，頂錨索初期預緊力在214～237 kN之間，后續(xù)基本保持穩(wěn)定，最終穩(wěn)定在218～248 kN之間，受力增加的幅度較小。幫錨索1位于實體煤側(cè)幫部，幫錨索2位于小煤柱側(cè)幫部，可以看出幫錨索1受力出現(xiàn)明顯的增加，從79 kN增加至136 kN，而幫錨索2受力從97 kN緩慢增加至106 kN，后降低至78 kN，這主要是由于小煤柱幫后續(xù)變形破碎導致錨固力下降。相對而言，煤層下部幫錨桿在施加初始預緊力之后后續(xù)基本保持穩(wěn)定，受力比較穩(wěn)定。

4.3.2 圍巖表面位移監(jiān)測曲線

巷道圍巖表面位移如圖4所示。由圖4可以看出，采用新型支護方案后，頂板和巷幫圍巖變形量較小，其中頂板下沉量53 mm，巷幫變形相對較大，小煤柱側(cè)幫變形量96 mm，實體煤側(cè)幫部變形量32 mm，相對原有巷道支護變形情況，巷道圍巖得到有效控制，巷道變形量同比減少60%，說明新型支護方案在寺家莊礦孤島工作面7 m小煤柱沿空掘巷得到很好的應用。

圖3 錨桿錨索受力監(jiān)測曲線

圖4 圍巖表面位移監(jiān)測曲線

5 結(jié)論

(1)寺家莊礦小煤柱沿空掘巷存在煤柱尺寸小，巷道應力復雜，圍巖條件差，巷幫穩(wěn)定性差，瓦斯抽采破壞等系列因素的影響，對巷道支護提出較高的要求。

(2)從地質(zhì)力學參數(shù)測定、巷道支護優(yōu)化、錨桿錨索布置方式、施工工藝等進行系統(tǒng)優(yōu)化與改進，提出以錨索支護為主、錨桿支護為輔的圍巖控制方法。

(3)現(xiàn)場實踐表明，通過對原有巷道支護技術進行優(yōu)化后巷道支護效果明顯改善，巷道變形量同比降低60%，取得了良好的支護效果。

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