殷 聰 張仁同 郭 亮 李中偉

（1.兗州煤業(yè)股份有限公司；2.兗煤菏澤能化趙樓煤礦；3.陜西時代能源化工有限公司；4.天地科技股份有限公司）

天池煤礦開采15#煤，煤層厚度為3.3～5.6 m，煤層平均傾角為9°，煤層強(qiáng)度低，普氏硬度系數(shù)f＜1，工作面間煤柱尺寸為6 m。煤層強(qiáng)度低，再加上巷道受臨近工作面采空影響，掘進(jìn)期間小煤柱巷道兩幫移近量超過0.5 m，回采期間接近2 m，底鼓量1 m 以上，巷道多數(shù)地段需要刷幫起底，嚴(yán)重影響了工作面的正?；夭?。目前對軟煤小煤柱巷道支護(hù)的研究較少［1-5］。本研究在分析巷道變形機(jī)理的基礎(chǔ)上，提出了軟弱煤層小煤柱巷道支護(hù)技術(shù)，并進(jìn)行現(xiàn)場試驗。

1 工程概況

604 工作面地面標(biāo)高為+1 475～+1 669 m，井下標(biāo)高為+1 122～+1 085.3 m，604 回風(fēng)順槽距602 工作面采空區(qū)凈煤柱6 m，如圖1 所示。15#煤以亮煤、鏡煤為主，其次為暗煤。煤層直接頂為中砂巖，厚度為5.86 m，普氏硬度系數(shù)f＞7。基本頂為k2 灰?guī)r，厚度為5.84 m。

本礦以往的小煤柱巷道主要采取的支護(hù)方式：頂板采用錨網(wǎng)索+鋼帶支護(hù)，幫部采用錨網(wǎng)索+鋼筋托梁支護(hù)，具體支護(hù)參數(shù)如下。

（1）頂板采用φ22 mm×2 200 mm 的左旋無縱筋螺紋鋼錨桿，錨桿間排距為700 mm×850 mm，采用4 500 mmT 型鋼帶組合錨桿。錨索規(guī)格為φ22 mm×6 500 mm，錨索間排距為2 800 mm×2 550 mm。

（2）兩幫采用φ20 mm×2 200 mm 的全螺紋鋼錨桿，幫部錨桿間排距為800 mm×850 mm，采用φ12 mm 鋼筋梯組合錨桿，幫部中間施工一根φ17.8 mm×4 000 mm 錨索，排距為2 550 mm，與錨桿同排布置在鋼筋托梁上。

（3）采用菱形網(wǎng)護(hù)頂和幫，菱形網(wǎng)為8#鍍鋅鐵絲編制，每孔網(wǎng)格為65 mm×65 mm，頂網(wǎng)規(guī)格為5 200 mm×1 000 mm，幫網(wǎng)規(guī)格為3 700 mm×1 000 mm。

在上述支護(hù)方式下巷道回采幫移近量為884 mm，沿空幫移近量為1 125 mm，頂板下沉量為21 mm，底板底鼓量為1 125 mm。如604 工作面回風(fēng)順槽采用上述支護(hù)方式，也面臨巷道變形嚴(yán)重、影響工作面正常回采的難題，為此，需要研究新的巷道圍巖控制技術(shù)。

2 工作面采空后側(cè)向垂直應(yīng)力分析

小煤柱巷道變形量大的主要原因是鄰近工作面采空后，側(cè)向頂板形成的巖梁結(jié)構(gòu)會使煤體內(nèi)的應(yīng)力分布與原巖應(yīng)力分布差別極大，小煤柱巷道變形主要與鄰近工作面采空后引起的垂直應(yīng)力變化有關(guān)。為此，采用數(shù)值模擬的手段研究602工作面采空后604工作面方向煤體內(nèi)的側(cè)向垂直應(yīng)力分布情況，了解煤體內(nèi)的應(yīng)力分布特征，為巷道變形機(jī)理分析提供依據(jù)。參照天池煤礦提供的地質(zhì)資料，建立FLAC3D模型，模型的尺寸為210 m×30 m×50 m。FLAC3D數(shù)值模型如圖2所示。

602工作面回采后，604工作面煤體內(nèi)的側(cè)向垂直應(yīng)力分布情況如圖3所示，從圖中可以得出以下結(jié)論：

（1）受602工作面回采的影響，604工作面方向煤體內(nèi)的垂直應(yīng)力分布情況與原巖狀態(tài)下有明顯的不同，602 工作面采空后，距采空區(qū)2.5 m 位置側(cè)向垂直應(yīng)力達(dá)26.31 MPa，原巖應(yīng)力為14.04 MPa，峰值應(yīng)力集中系數(shù)為1.87。

（2）距602 采空區(qū)6 m 處側(cè)向垂直應(yīng)力為18.17 MPa，應(yīng)力集中系數(shù)為1.29，距602 采空區(qū)15 m 位置側(cè)向垂直應(yīng)力降至17.41 MPa，應(yīng)力集中系數(shù)為1.24。距602 采空區(qū)越遠(yuǎn)，應(yīng)力集中系數(shù)越低，圍巖應(yīng)力逐漸向原始狀態(tài)靠近，距602 采空區(qū)60 m 時圍巖降低到原巖應(yīng)力水平，602 工作面回采側(cè)向擾動范圍約為60 m。

綜上所述，自距602 工作面采空區(qū)2.5 m 處垂直應(yīng)力達(dá)峰值后，隨著距采空區(qū)距離增加，巷道垂直應(yīng)力逐漸降低，如果選擇大的煤柱尺寸，巷道維護(hù)難度降低，但是資源浪費(fèi)嚴(yán)重，6 m 煤柱處垂直應(yīng)力集中系數(shù)為1.29，巷道維護(hù)難度較高。

3 巷道變形機(jī)理分析

依據(jù)上述巷道地質(zhì)條件、支護(hù)情況和采空區(qū)側(cè)向垂直應(yīng)力分布情況，結(jié)合現(xiàn)有巷道圍巖控制技術(shù)研究成果，分析巷道變形機(jī)理如下。

（1）側(cè)向支承壓力與超前采動應(yīng)力疊加影響。上個工作面回采后產(chǎn)生的工作面?zhèn)认蛑С袎毫捅竟ぷ髅婊夭僧a(chǎn)生的超前采動應(yīng)力的疊加影響，導(dǎo)致巷道變形劇烈。天池小煤柱沿空巷道掘進(jìn)后，巷道兩幫即發(fā)生500 mm 左右的變形，工作面回采進(jìn)一步加劇了巷道的變形，導(dǎo)致回采期間巷道兩幫移近量接近2 m。

（2）工作面?zhèn)认蝽敯褰Y(jié)構(gòu)導(dǎo)致高應(yīng)力與大變形。巷道頂板存在較厚的k2 灰?guī)r，灰?guī)r強(qiáng)度較高。從頂板巖層運(yùn)動規(guī)律可知，上工作面回采后將在煤柱側(cè)形成懸臂梁結(jié)構(gòu)，此厚層灰?guī)r形成的結(jié)構(gòu)將大大增加小煤柱沿空巷道的應(yīng)力及變形。

（3）小煤柱側(cè)幫錨桿錨固力不足。在604 工作面回風(fēng)順槽小煤柱側(cè)幫拉拔3 根錨桿，錨固力為20～90 kN，說明錨桿錨固深度不足，錨固段處于巷道圍巖破碎區(qū)內(nèi)，錨桿錨索難以生根，錨桿的支護(hù)能力沒有充分發(fā)揮，導(dǎo)致小煤柱側(cè)幫錨桿基本沒有支護(hù)強(qiáng)度。

（4）實體煤側(cè)幫初期支護(hù)強(qiáng)度不足。604 工作面回風(fēng)順槽實體煤側(cè)幫拉拔3 根錨桿，錨固力均在157 kN 以上，能達(dá)到錨桿的屈服載荷?？梢妼嶓w煤側(cè)幫錨桿錨固力較好，但是由于錨桿初始預(yù)緊力低，且錨索初始張拉力不足，導(dǎo)致巷道初期支護(hù)強(qiáng)度低，難以控制巷道變形。

（5）護(hù)表構(gòu)件強(qiáng)度和剛度低。幫部護(hù)表構(gòu)件為鋼筋托梁和金屬網(wǎng)，護(hù)表強(qiáng)度和剛度均不足，不能有效地把錨桿的預(yù)緊力和工作阻力擴(kuò)散到距錨桿較遠(yuǎn)處的圍巖中，導(dǎo)致錨桿支護(hù)作用范圍有限，不能有效地控制距錨桿較遠(yuǎn)處巷道圍巖的變形破壞。

4 支護(hù)設(shè)計

根據(jù)巷道變形分析結(jié)論，結(jié)合最新的錨桿、錨索支護(hù)研究成果，提出巷道支護(hù)方案如下。

4.1 頂板支護(hù)

錨桿桿體為φ22 mm 左旋無縱筋螺紋鋼筋，屈服強(qiáng)度為500 MPa，長度為3 000 mm，螺紋長度為150 mm，桿尾螺紋為M24，沖擊吸收功不低于40 J。使用2 支樹脂錨固劑，鉆頭直徑為30 mm。采用方形帶拱高強(qiáng)度托盤，配套調(diào)心球墊和減阻尼龍墊圈，托盤尺寸為100 mm×100 mm×10 mm。φ4 mm 鋼筋網(wǎng)護(hù)頂。T型鋼帶組合錨桿，寬140 mm，高20 mm，中間厚10 mm，凸臺寬56 mm，長4 700 mm，孔間距900 mm。錨桿排距900 mm，每排6根錨桿，間距900 mm。錨桿預(yù)緊扭矩要達(dá)到400 N·m，但不能超過550 N·m。

錨索材料為φ21.8 mm、1×19 股高強(qiáng)度低松弛預(yù)應(yīng)力鋼絞線，最大力總延伸率不小于5.0%，長度為6 500 mm，鉆頭直徑為30 mm，采用3 支樹脂藥卷，1 卷CKb2350 和2 卷CKa2360。錨索為“二一二”布置，間距為2 800 mm，排距為2 700 mm。全部垂直巷道頂板打設(shè)，錨索張拉至250 kN。

4.2 實體煤幫部支護(hù)

錨桿桿體為φ22 mm 左旋無縱筋螺紋鋼筋，屈服強(qiáng)度為500 MPa，長度為3 000 mm，螺紋長度為150 mm，桿尾螺紋為M24，沖擊吸收功不低于40 J。使用2 支樹脂錨固劑，鉆頭直徑為30 mm。采用方形帶拱高強(qiáng)度托盤，配套調(diào)心球墊和減阻尼龍墊圈，托盤尺寸為100 mm×100 mm×10 mm。φ4 mm 鋼筋網(wǎng)護(hù)幫，T 型鋼護(hù)板配套錨桿，中間厚10mm，長350 mm，寬230 mm。錨桿排距為900 mm，每排5根錨桿，間距為900 mm。錨桿預(yù)緊扭矩要達(dá)到400 N·m，但不能超過550 N·m。

錨索形式和規(guī)格：錨索為φ21.8 mm、1×19 股鋼絞線，最大力延伸率不小于5.0%，長度為6 500 mm（小煤柱幫4 m），鉆頭直徑為30 mm，采用3 支樹脂藥卷，1 卷CKb2350 和2 卷CKa2360。錨索托盤為300 mm×300 mm×16 mm 高強(qiáng)度托板，配調(diào)心球墊和讓壓環(huán)。錨索“二二”布置，間距1 500 mm，排距1 800 mm。全部垂直巷道幫部打設(shè)，錨索張拉至200 kN。巷道支護(hù)方案如圖4所示。

5 礦壓監(jiān)測

巷道掘進(jìn)50 m后進(jìn)行了巷道表面位移監(jiān)測，結(jié)果如圖5所示，巷道頂板下沉量不到10 mm，兩幫移近量為226 mm，距掘進(jìn)工作面迎頭約60 m 位置兩幫移近量開始保持穩(wěn)定。新支護(hù)方案下兩幫移近量較原支護(hù)方案降低50%以上，巷道支護(hù)效果有了顯著改善。

6 結(jié)論

（1）天池煤礦小煤柱巷道變形機(jī)理是上個工作面回采后產(chǎn)生的工作面?zhèn)认蛑С袎毫捅竟ぷ髅婊夭僧a(chǎn)生的超前采動應(yīng)力的疊加影響，導(dǎo)致巷道圍巖應(yīng)力劇烈增加，再加上錨桿、錨索支護(hù)范圍小和護(hù)表構(gòu)件剛度低，導(dǎo)致巷道支護(hù)強(qiáng)度不足以抵抗巷道圍巖變形力。

（2）通過加長錨桿（索）長度、提高錨桿（索）預(yù)緊力、采用鋼筋網(wǎng)和T 鋼護(hù)板護(hù)表的新型支護(hù)方式，試驗表明，巷道兩幫移近量較原支護(hù)方案降低50%以上，較好地解決了天池煤礦軟弱煤層小煤柱巷道變形量大的難題。