曹育杰

（山西煤炭運(yùn)銷集團(tuán)神農(nóng)煤業(yè)有限公司，山西 高平 048400）

1 工程概況

神農(nóng)煤業(yè)15102 綜采工作面開采煤層為太原組15 號煤層。煤層均厚3.79 m，煤層結(jié)構(gòu)中等，穩(wěn)定性較好，煤層頂板為石灰?guī)r，均厚1.5 m，煤層底板為砂質(zhì)泥巖，平均厚7.22 m。工作面回風(fēng)順槽位于15 號煤煤層內(nèi)，沿煤層頂板掘進(jìn)，設(shè)計(jì)長度為498.2 m，巷道標(biāo)高+738~+780 m，巷道設(shè)計(jì)斷面為4 200 mm×4 000 mm。由于先前采區(qū)留設(shè)煤柱寬度在20 m，對于煤層回采帶來浪費(fèi)，煤柱變形較為嚴(yán)重，因此對留設(shè)小煤柱是否合理進(jìn)行研究。工作面巷道布置圖見圖1。

圖1 15102 工作面巷道布置平面圖

2 15102 工作面沿空掘巷煤柱合理寬度計(jì)算

2.1 煤柱寬度上限計(jì)算

當(dāng)上區(qū)段回采完成后，煤層頂板發(fā)生垮落從而充填采空區(qū)。由于上覆巖層垮落造成基本頂發(fā)生斷裂現(xiàn)象。根據(jù)我國學(xué)者對沿空巷道上覆巖層移動的研究，可將基本頂斷裂后與下區(qū)段煤層形成一個弧形三角塊，即關(guān)鍵塊體B。由于弧形三角塊一側(cè)位于采空區(qū)矸石之上，另一側(cè)下側(cè)在未開采的煤層，和相鄰的巖塊呈現(xiàn)為鉸接結(jié)構(gòu)，因此關(guān)鍵塊體B 影響著沿空掘巷留設(shè)的煤柱內(nèi)應(yīng)力分布。在上區(qū)段回采完成后，工作面基本頂發(fā)生斷裂現(xiàn)象，會在斷裂兩側(cè)形成應(yīng)力降低區(qū)（S1）和應(yīng)力升高區(qū)（S2）。頂板斷裂后力學(xué)模型如圖 2 所示[1-2]。

圖2 沿空掘巷基本頂斷裂力學(xué)模型圖

根據(jù)關(guān)鍵塊體B 在煤柱中形成應(yīng)力降低區(qū)（S1）和應(yīng)力升高區(qū)（S2）兩區(qū)域，因此沿空掘巷必須布置在應(yīng)力降低區(qū)（S1），從而保證巷道的穩(wěn)定。因此需要對應(yīng)力降低區(qū)（S1）的范圍進(jìn)行估算。

為確定應(yīng)力降低區(qū)（S1）的寬度將其受到的支撐壓力近似于工作面初次來壓時基本頂?shù)淖灾叵嗤?，即?/p>

式中：σy為側(cè)向支承壓力，Pa；G0為斷裂區(qū)發(fā)生塑性變形的煤體剛度，Pa；y0為煤壁煤體壓縮量值，m；γ 為煤層基本頂容重，kN·m3；α 為 15102 工作面長度，m；M為基本頂厚度，m；L為基本頂來壓步距，m。

根據(jù)基本頂?shù)某醮蝸韷翰骄啵?/p>

式中：σt為基本頂抗拉強(qiáng)度，Pa；q為煤層基本頂承受上覆巖層的載荷，Pa；

通過把（1）式和（2）式聯(lián)立可得：

將15102 綜采工作面相關(guān)數(shù)據(jù)，計(jì)算得到應(yīng)力降低區(qū)（S1）區(qū)域?qū)挾葹?7 m。由于應(yīng)力降低區(qū)S1≥L 煤柱+L 巷道，而沿空巷道寬度L 巷道=4.2 m，則可知 L 煤柱的最大值為12.8 m。

2.2 煤柱寬度下限計(jì)算

15102 工作面預(yù)留煤柱兩側(cè)分別為上區(qū)段被矸石充填的采空區(qū)以及下區(qū)段開采煤層，根據(jù)圍巖極限平衡理論，預(yù)留煤柱最小寬度應(yīng)該大于因上覆巖層破壞造成煤壁發(fā)生塑形變化的長度x1與下區(qū)段煤層為保證巷道安全鋪設(shè)錨桿的距離x2之和，再加上一定的安全距離x3，其中x1按4 式計(jì)算，x3取0.15~0.35倍的（x1+x2）。

式中：m為 15102 工作面采高，取 3.12 m；C0為煤柱與頂?shù)装褰唤缣幍恼尘哿?，?.8 MPa；K為集中應(yīng)力系數(shù)，取 1.8；λ為巷道側(cè)壓系數(shù)，取 0.32；φ0為 12號煤層內(nèi)摩擦角，取35°；γ為上覆巖層平均容重，取 25 kN·m3；H為回風(fēng)巷道埋深，取 400 m；Px為煤柱采空區(qū)一側(cè)的支護(hù)阻力，取0.2 MPa。

將數(shù)據(jù)代入上式計(jì)算可知x1=6.45 m，煤柱最小寬度L為10.18~11.95 m。

根據(jù)對煤柱寬度上下限進(jìn)行計(jì)算可知，15102 工作面沿空掘巷煤柱留設(shè)11 m 煤柱較為合理。

3 巷道圍巖控制技術(shù)

3.1 煤柱內(nèi)部應(yīng)力監(jiān)測

為了掌握研究15102 工作面在回采期間小煤柱內(nèi)部應(yīng)力變化，因此在工作面前方100 m 的位置布置12 個測點(diǎn)，每個測點(diǎn)間隔0.8 m。12 個測點(diǎn)分別對距離煤壁深度1~6.5 m 進(jìn)行應(yīng)力監(jiān)測，監(jiān)測布置圖如圖3 所示。

圖3 煤柱內(nèi)部應(yīng)力監(jiān)測方案示意圖

通過對15102 工作面的推進(jìn)，對12 個測點(diǎn)在超前工作面 10、20、35、50、80 m 數(shù)據(jù)進(jìn)行繪制得出煤柱內(nèi)部應(yīng)力分布曲線如圖4 所示。

圖4 煤柱內(nèi)部應(yīng)力分布曲線圖

根據(jù)圖4 我們可以發(fā)現(xiàn)超前工作面距離不同，但是圍巖應(yīng)力在煤柱內(nèi)部深度分布趨勢相同。隨著在煤柱內(nèi)部監(jiān)測深度的增加，煤柱內(nèi)壓力均呈現(xiàn)出先增加后減小的狀態(tài)，其中峰值出現(xiàn)在距離煤壁深度3.5 m的位置。

經(jīng)過現(xiàn)場實(shí)測可知在15102 工作面回采過程中煤體側(cè)0~3 m 的范圍為支承壓力降低區(qū)，煤體發(fā)生塑性變形。距離煤壁3~5 m 范圍為煤柱彈性區(qū)，而煤柱側(cè)6.5~10 m 范圍靠近15102 采空區(qū)圍巖強(qiáng)度發(fā)生變形，承載能力降低。

3.2 15102 回風(fēng)巷道支護(hù)方案

在回采區(qū)間煤柱側(cè)0~3 m 的范圍內(nèi)圍巖承載能力降低，兩幫移近量增加，最大量達(dá)到2 m，嚴(yán)重影響了工作面正常回采。結(jié)合我國學(xué)者對小煤柱支護(hù)的實(shí)施方案，因此采用錨桿+長短錨索進(jìn)行一次錨固和煤柱邊緣進(jìn)行注漿加固進(jìn)行二次加固的方法[3~5]。

1）頂板支護(hù)。巷道頂部采用2 根φ21.8 mm，長8 300 mm 的長錨索和5 根φ21.8 mm，長5 200 mm短錨索進(jìn)行支護(hù)。每排布置5 根錨索每根錨索間距為950 mm，每隔850 mm 布置1 排錨索。中間3 根錨索垂直巷道頂板布置，靠近壁幫的錨索與豎直方向呈30°布置。2 根長錨索為加強(qiáng)支護(hù)，垂直頂板布置，錨索距離巷道中心線600 mm。每根錨索均采用1 支K23100 和2 支Z2360 樹脂錨固劑對頂板錨桿進(jìn)行錨固，以及配設(shè)厚8 mm，長×寬為200 mm×120 mm 的托盤。

2）實(shí)體煤巷幫支護(hù)?；仫L(fēng)巷實(shí)體煤巷幫用5 根左旋螺紋鋼直徑為20 mm，長2 400 mm 的錨桿進(jìn)行支護(hù)。除距離巷道頂板最近的錨桿均垂直煤巷幫布置，錨桿從距離巷道底板300 mm 開始布置，每根錨桿間隔850 mm，每根錨桿采用1 支K2360 和1 支Z2360對錨桿錨固。

3）煤柱幫支護(hù)?；仫L(fēng)巷煤柱幫用5 根左旋螺紋鋼直徑為20 mm，長2 400 mm 的錨桿進(jìn)行支護(hù)。錨桿布置方式與實(shí)體煤側(cè)相同。由于煤柱幫受采動應(yīng)力影響較大，采用2 根Φ15.2 mm×長4 200 mm 的鋼絞線錨索進(jìn)行加強(qiáng)支護(hù)。

15102 回風(fēng)巷道具體支護(hù)方案如圖5 所示。

圖5 15102 回風(fēng)巷道支護(hù)方案

4）煤柱幫注漿加固。注漿材料為水、添加了TWK—1 復(fù)合劑的425 號普通硅酸鹽水泥和TWK2固化劑。注漿孔孔深為3.0 m，其布置方式為五花孔，其中上部和下部孔分別距離頂?shù)装?m，中部鉆孔位于巷道中央，上部孔斜向上15°布置，中部和下部孔垂直于煤柱幫布置，相鄰孔間距為2.0 m。注漿加固后對煤柱進(jìn)行密閉防止有害氣體溢出。

3.3 支護(hù)效果分析

在對15102 回風(fēng)巷道工作面支護(hù)后，分別對回風(fēng)順槽頂板下沉量和兩幫移近量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)繪制圖7 及圖8。

根據(jù)圖6 可知，15102 工作面回風(fēng)順槽在掘進(jìn)期間頂板在1~10 d 內(nèi)增長較快，10 d 后逐漸變緩，巷道頂板下沉量共計(jì)22 mm，巷道維護(hù)良好。在回采期間，巷道頂板經(jīng)過慢快慢的變化趨勢，60 d 后下沉量為200 mm。

圖6 回風(fēng)順槽頂板下沉量圖

圖7 回風(fēng)順槽兩幫移近量圖

由圖7 可知，15102 工作面回風(fēng)順槽掘進(jìn)期間兩幫15 d 累計(jì)位移量為0.12 m，之后趨于穩(wěn)定。在回采期間，對煤柱幫進(jìn)行支護(hù)加固后變形僅為0.05 m，而實(shí)體煤幫60 d 后位移累積為1.0 m。由此可見采用錨桿+長短錨索聯(lián)合支護(hù)+煤柱幫注漿加固很好的控制了巷道圍巖的位移。

4 結(jié) 論

1）通過構(gòu)建基本頂斷裂力學(xué)模型和極限平衡理論，對沿空倔巷煤柱留設(shè)寬度進(jìn)行計(jì)算，確定了15102 工作面煤柱留設(shè)寬度為11m，掘進(jìn)期間采用錨桿+錨索進(jìn)行支護(hù)。在對15101 工作面回采時煤柱內(nèi)部應(yīng)力進(jìn)行監(jiān)測，得出煤柱側(cè)0~3 m 范圍出現(xiàn)塑性破壞，對煤柱幫采用注漿的方式進(jìn)行二次支護(hù)。

2）在對巷道掘進(jìn)和回采期間頂板、兩幫位移量進(jìn)行觀測，支護(hù)方案有效解決了留設(shè)11 m 小煤柱穩(wěn)定問題，為其他工作面提供了經(jīng)驗(yàn)。