（山西汾西礦業(yè)兩渡煤業(yè)有限責(zé)任公司 山西 031302）

煤礦開(kāi)采深度增加、能源需求量提高，較多深部礦井于采空區(qū)一側(cè)回采巷道中，會(huì)使用留窄煤柱沿空掘巷方式處理，然而開(kāi)采深度變化所致沿空巷道維護(hù)工作有一定挑戰(zhàn)，這對(duì)于工作面建設(shè)構(gòu)成阻滯。針對(duì)于此，需要明確沿空巷道煤柱的尺寸、加強(qiáng)煤礦生產(chǎn)管理，并有效運(yùn)用支護(hù)技術(shù)處理，從而降低煤柱變形情況的發(fā)生，確保深井沿空巷道支護(hù)工作的效率、安全。

1.工程概況情況概述

以某煤礦工程為例，其工作面煤層厚度為6.55m、存在3層夾矸，直接頂為容易冒落的泥巖，平均厚度為3.06m；基本頂細(xì)砂巖厚度約為1.88m；底板細(xì)砂巖厚度在2.24m左右，埋深約為310m。待上一工作面回采完成后通過(guò)綜采開(kāi)采技術(shù)處理，區(qū)段回風(fēng)平巷使用沿空留巷小煤柱護(hù)巷高強(qiáng)度錨桿支護(hù)，順著底板掘進(jìn)。沿空測(cè)小煤柱的寬度、排距、頂錨桿尺寸、錨固長(zhǎng)度，以及幫錨桿尺寸、錨固長(zhǎng)度分別設(shè)置為：4m、850mm、20mm*2200mm、1.5m、20mm*1800mm、1.2m，間隔4m位置于巷道中布設(shè)1根錨索，鋼絞線的長(zhǎng)度、直徑及樹(shù)脂藥卷錨固長(zhǎng)度設(shè)置為：8.2m、15.25mm、1.4m。組合構(gòu)件W強(qiáng)力鋼帶尺寸5mm*260mm，頂煤、兩幫應(yīng)用金屬經(jīng)緯網(wǎng)達(dá)到輔助支護(hù)的目的，采空區(qū)側(cè)小煤柱使用圓鋼錨桿支護(hù)，間排距設(shè)置為800mm*800mm，巷道掘進(jìn)、回采的過(guò)程，應(yīng)對(duì)巷道圍巖變形加以檢查。通過(guò)單體液壓支柱超前支護(hù)，頂板、底板移動(dòng)速度降低，兩幫移動(dòng)速度增加，然而兩幫整體性能尚可、未見(jiàn)片幫問(wèn)題。由此表示，經(jīng)高強(qiáng)錨桿支護(hù)可提高深井沿空巷道掘進(jìn)效率、回采圍巖的穩(wěn)定性。

2.深井沿空巷道圍巖變形主要規(guī)律的分析

沿空巷道，即為煤體—采空區(qū)的巷道，作為煤柱護(hù)巷的基本形式，在右側(cè)工作面開(kāi)采后基本頂下沉，并且會(huì)于采空區(qū)邊緣斷裂，這時(shí)煤體頂板彎曲且呈一定角度，于采空區(qū)傾斜側(cè)向支撐壓力煤體內(nèi)部發(fā)生轉(zhuǎn)移[1]。當(dāng)頂板彎曲、下沉，以及以支撐壓力轉(zhuǎn)移，邊緣煤體受到嚴(yán)重破壞，這時(shí)會(huì)形成破碎區(qū)，煤體邊緣范圍內(nèi)可形成應(yīng)力降低區(qū)，這時(shí)為沿空掘巷創(chuàng)設(shè)了良好條件。巷道煤柱左側(cè)掘出后，會(huì)于圍巖內(nèi)形成破碎區(qū)，此時(shí)煤柱兩側(cè)可見(jiàn)破碎區(qū)，不但承載力下降，而且左側(cè)工作面開(kāi)采過(guò)程會(huì)形成超前支撐壓力，發(fā)生煤柱壓縮破碎問(wèn)題的同時(shí)，頂板易發(fā)生二次斷裂問(wèn)題，致使巷道壓力加大、變形量增多，而這也是深井工作面沿空掘進(jìn)巷道工作面，超前支撐壓力作用下維護(hù)困難的基本原因。

3.深井沿空巷道小煤柱護(hù)巷機(jī)理狀況研究

(1)頂板支撐壓力分布規(guī)律研究

工作面頂板支撐壓力分布為動(dòng)態(tài)的，會(huì)隨著工作面推進(jìn)而發(fā)生改變，頂板約束條件下經(jīng)四周嵌固—兩側(cè)嵌固發(fā)生轉(zhuǎn)變，彎矩會(huì)朝著兩側(cè)—煤壁產(chǎn)生轉(zhuǎn)移，以此致使頂板順著兩側(cè)煤壁嵌固端發(fā)生斷裂，頂板應(yīng)力會(huì)受到煤壁距離的變化影響。因煤壁四周應(yīng)力＞煤層基線抗壓的強(qiáng)度，所以邊緣煤體容易受到破壞、承載能力下[2]。趨于該種狀態(tài)下，遭受頂板自重因素、采動(dòng)附加應(yīng)力因素影響，頂板則會(huì)于兩側(cè)煤體內(nèi)部斷裂，逐漸形成斷裂口線為主的應(yīng)力區(qū)。斷裂線、煤體邊緣間中斷裂巖梁自重關(guān)系到低應(yīng)力區(qū)，斷裂線外側(cè)經(jīng)上覆巖層整體重量關(guān)系到高應(yīng)力區(qū)，如圖1。

圖1 頂板支撐

(2)正確梳理煤柱寬度、圍巖變形間的關(guān)系

護(hù)巷煤柱寬度、圍巖變形率間的關(guān)系，能夠客觀評(píng)判煤柱是否穩(wěn)定，經(jīng)試驗(yàn)證實(shí)巷道圍巖變形、護(hù)巷煤柱寬度關(guān)系緊密，煤柱寬度增加、圍巖變形率則會(huì)隨之變化。

(3)認(rèn)真計(jì)算小煤柱的寬度

結(jié)合煤柱寬度、圍巖變形率關(guān)系，明確煤柱的寬度后經(jīng)工作面支撐壓力分布確定最終煤柱寬度。經(jīng)過(guò)對(duì)巷道圍巖應(yīng)力分析能夠明確，四周采空區(qū)煤體存在以下幾個(gè)區(qū)域：應(yīng)力降低區(qū)、升高區(qū)，以及原巖應(yīng)力區(qū)[3]。為防止巷道位于應(yīng)力升高區(qū)，建議在塑性區(qū)、彈性區(qū)交界位置將護(hù)巷煤柱設(shè)置過(guò)小的話，因煤柱內(nèi)部為破碎區(qū)、塑性區(qū)，在承載力及穩(wěn)定情況方面較弱，錨桿處于破碎圍巖范圍，不但錨固力非常小且無(wú)法提高煤柱的穩(wěn)定性、安全性。針對(duì)于此，需確保煤柱寬度設(shè)置適中，以便降低承載力、確保煤體為完整區(qū)域，如此一來(lái)利于降低巷道支護(hù)體的載荷，提高巷道圍巖的完整性，同時(shí)可以有效降低煤炭資源浪費(fèi)，及其構(gòu)成的不良影響。

4.深井沿空巷道小煤柱護(hù)巷支護(hù)技術(shù)及支護(hù)方案探討

明確深井沿空巷道小煤柱的尺寸前，需要考慮到支護(hù)的方式，究其原因和不同支護(hù)方式對(duì)于煤柱尺寸留設(shè)會(huì)構(gòu)成直接影響存在緊密聯(lián)系。通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)，錨桿支護(hù)能提高錨固體力學(xué)的相關(guān)參數(shù)，主要為錨固體受到破壞前、后參數(shù)φ，對(duì)巖體摩擦角φ構(gòu)成的影響，內(nèi)聚力升高的幅度較小，錨固區(qū)域巖體峰值強(qiáng)度、峰后強(qiáng)度提高，錨桿支護(hù)技術(shù)的應(yīng)用，促使圍巖經(jīng)二向/單向應(yīng)力的方式轉(zhuǎn)變，形成三向應(yīng)力狀態(tài)可提高圍巖承載方面的能力，為巷道維護(hù)工作奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)[4]。錨固體強(qiáng)度中，通過(guò)錨固體極限強(qiáng)度、錨固體殘余強(qiáng)度，以及錨桿支護(hù)強(qiáng)度、錨固體極限強(qiáng)度時(shí)內(nèi)聚力、錨固體極限強(qiáng)度時(shí)內(nèi)摩擦角、錨固體殘余強(qiáng)度時(shí)內(nèi)聚力、錨固體殘余強(qiáng)度內(nèi)摩擦角分別通過(guò)：σ1（MPa）、σ1*（MPa）、σ3m（MPa）、C（MPa）、φ（°）、C*（MPa）、φ*（°）表示。其中，σ1和σ1*會(huì)隨著σ3m、C、φ、C*、φ*而變化，特別需要注意的是σ3m提高直接關(guān)系到圍巖強(qiáng)度。故而，建議使用預(yù)緊力、強(qiáng)力錨桿，以及錨索和強(qiáng)力鋼帶等，有效保證圍巖的強(qiáng)度非常必要，進(jìn)而能夠確保圍巖承載方面的能力、強(qiáng)力錨桿力學(xué)性能。區(qū)段煤柱尺寸、支護(hù)方式相匹配，便于提高錨桿的性能，保證錨桿參數(shù)設(shè)置的科學(xué)性、可靠性。此外，可通過(guò)窄煤柱護(hù)巷回采巷道錨網(wǎng)帶、支護(hù)方法處理，以便不斷提高巷道圍巖的承載力。

試驗(yàn)段小煤柱的寬度在7.5m左右，承載力和以往留設(shè)煤柱比較應(yīng)收縮下降，而這也是成巷質(zhì)量差的主要原因之一，穩(wěn)定區(qū)內(nèi)應(yīng)力＞10MPa應(yīng)力集中系數(shù)＞2倍，完成工作面回采工作遺留煤柱，會(huì)于較高應(yīng)力條件下對(duì)下方煤層工作面布置構(gòu)成不利的影響，所以建議將護(hù)巷煤柱寬度設(shè)置為5m，同時(shí)對(duì)試驗(yàn)段巷道作以封閉加固處理，支護(hù)方案：（1）反底拱回填混凝土錨注方案，采動(dòng)時(shí)小煤柱承載壓力作用下，底板遇水會(huì)發(fā)生膨脹所致底鼓問(wèn)題，因此圍巖變形問(wèn)題比較凸顯。經(jīng)反復(fù)拉底無(wú)法處理上述問(wèn)題，因而應(yīng)實(shí)行底板超挖處理，目的為逐漸形成反底拱，對(duì)反底拱垂直打設(shè)孔注漿錨桿作以錨注處理，將間距設(shè)置為1.2m。在此之后，回填混凝土強(qiáng)度提高達(dá)到90%以上。（2）中空錨桿注漿加固小煤柱方案，中空錨桿以780mm*780mm尺寸布設(shè)，鄰近頂板位置向上傾斜15°左右后注漿，旨在提高小煤柱承載方面能力，2排錨桿間打1排錨索確保整體補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)效果，如圖2[5-7]。（3）超前架棚巷道支護(hù)方案，使用小煤柱進(jìn)行開(kāi)采，因受到采動(dòng)因素的影響，因此工作面前方、后方（50m、80m）均為應(yīng)力升高區(qū)，建議施行架棚支護(hù)處理。實(shí)際支護(hù)的過(guò)程將架棚的排距設(shè)置為0.7cm，如圖3。

圖2 注漿

圖3 超前架棚巷道支護(hù)

5.結(jié)語(yǔ)

經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)使用小煤柱護(hù)巷可確定小煤柱尺寸，提高小煤柱穩(wěn)定及可靠的性能。與此同時(shí)，采取高強(qiáng)度錨桿支護(hù)，在提高圍巖力學(xué)參數(shù)、小煤柱承載力，以及圍巖承載力等多個(gè)方面優(yōu)勢(shì)突出，并且應(yīng)該加強(qiáng)對(duì)深井沿空巷道應(yīng)力的深入分析，確定支護(hù)方案、煤柱寬度，如此便于降低超前支撐壓力所致不良影響，對(duì)深井沿空巷道進(jìn)行有效維護(hù)，確保巷道圍巖為穩(wěn)定的狀態(tài)。