采動影響留巷煤柱內沿空掘巷強力錨網索支護技術

秦海忠

（晉城藍焰煤業(yè)股份有限公司成莊礦，山西晉城 048000）

采動影響留巷煤柱內沿空掘巷強力錨網索支護技術

秦海忠

（晉城藍焰煤業(yè)股份有限公司成莊礦，山西晉城 048000）

結合成莊礦4310放頂煤工作面的地質條件和生產狀況，通過地質力學測試、圍巖強度測定和圍巖鉆孔窺視全面了解了受采動影響護巷煤柱的破壞和受力狀況，運用強力支護理論，闡述了留巷煤柱內沿空掘巷圍巖控制原則，提出巷道支護設計，選擇合理的支護材料，在4220副巷得到成功應用，有效解決了采動影響留巷煤柱內沿空掘巷的支護難題。

采動影響;留巷煤柱;沿空掘巷;強力支護

Technology of Powerful Anchored Cable and Mesh Supporting for Driving Roadway along Gob in Coal-pillar Influenced by Mining

隨著現(xiàn)代采煤技術的不斷發(fā)展，綜采、綜放工作面多巷道布置方法得以大面積推廣應用，相鄰工作面復用巷道也得到了大力發(fā)展，中厚煤層沿空巷道圍巖控制技術在理論上和實踐應用中得到了提高。晉城礦區(qū)無論是中厚煤層還是綜放工作面回采巷道，目前均采用煤柱護巷，煤柱寬度一般在20～70m，不僅浪費大量煤炭資源，而且當煤柱尺寸選擇不合理時，巷道圍巖變形劇烈，頂板下沉，兩幫擠出，底鼓等現(xiàn)象時有發(fā)生，嚴重影響礦井正常生產。

近年來，煤巷錨桿支護技術得到快速發(fā)展，針對不同圍巖地質條件，提出了相應的錨桿支護理論。一致認為:預應力錨桿支護屬于主動支護，能限制圍巖的變形，改變圍巖的受力狀態(tài)，提高其承載能力。特別是高強度、高剛度和高預緊力錨桿支護系統(tǒng)能有效控制圍巖體的有害變形，防止離層產生，使預應力在圍巖中能有效傳遞，形成“剛性”頂板。采用錨桿支護亦能在綜放工作面實現(xiàn)小煤柱護巷，由于巷道布置在應力卸壓區(qū)，圍巖穩(wěn)定性明顯好于采用大煤柱護巷的巷道，而且高強度錨桿、小孔徑樹脂錨索等支護手段的開發(fā)研制，為沿空掘巷支護提供了有效途徑［1－2］。

本文分析動壓影響下煤柱體內圍巖裂隙發(fā)育和變形情況，根據(jù)強力錨桿支護理論［5］闡述了綜放沿空掘巷圍巖控制原理，提出支護設計，并成功應用于工程實踐。

1 試驗點調查及地質力學評估

晉城藍焰煤業(yè)股份有限公司成莊礦為高瓦斯礦井，綜采工作面采用大U套小U通風方式解決瓦斯問題。4310放頂煤工作面布置如圖1所示。其中4220巷既作為4308工作面的回風巷，與4308工作面采空區(qū)邊緣之間煤柱為35m，同時又作為4310工作面的回風巷，為相鄰兩個工作面服務，4220巷不但受前一個工作面回采時的采動影響，還要受下一個工作面同側另一條巷道掘進的影響，支護難度大。

圖1 4310放頂煤工作面巷道布置

成莊礦為了加快工作面布置，解決銜接緊張局面，復用留巷技術已開展多年。以前都是在實體煤側距留巷20m處再開挖一條巷道，一是煤柱資源浪費嚴重，二是巷道處于應力峰值區(qū)域，維護困難。為了解決此難題，通過詳細論證和認真研究，決定在4308工作面回采結束后不久，在4220巷35m留巷煤柱內沿采空區(qū)邊緣掘進斷面寬×高為4520mm×3100mm的4220副巷，以滿足回采期間通風要求。通過理論分析和數(shù)值模擬計算，成莊礦沿空掘巷采空區(qū)側留設合理的煤柱寬度為3～5m，但在距采空區(qū)7m左右處，4220巷與采空區(qū)之間的聯(lián)絡橫川設有密閉墻，為了防止與采空區(qū)導通，最后確定4220副巷與采空區(qū)之間煤柱留設寬度為10m。

3號煤頂?shù)装遒x存條件復雜，直接頂為4.22m的泥巖，深灰色，含植物化石，裂隙發(fā)育，夾煤線，揭露后易風化?；卷敒?1.30m的中粒砂巖，灰色－深灰色，硅質膠結，斜層理發(fā)育，頂部為粉砂巖及細砂巖，夾有多層軟質泥巖。直接底為9.58m左右的泥巖及砂質泥巖互層，深灰色，多植物化石，中部夾薄層細砂巖。3號煤厚6.03m，黑色，條帶狀結構，煤芯多呈塊狀及短柱狀。

采用水壓致裂地應力測試儀器在四盤區(qū)進行3個測點的原巖應力測試，最大水平主應力12.18MPa，最小水平主應力6.48MPa，垂直應力9.25 MPa，以構造應力為主。最大水平主應力方向為N18°～43.4°W，大體上屬于北偏東方向。

2 圍巖強度測試及結構分析

煤巷圍巖極其復雜。圍巖體內含有各種不同的不連續(xù)面，如節(jié)理、層理、裂隙等，還有許多微裂隙在掘進初期是閉合的，通過一段時間的擴容變形后逐漸張開，給巷道的穩(wěn)定性帶來很多麻煩。這些不連續(xù)面的存在顯著改變了巖體強度特征和變形特征，致使巖塊與巖體的強度相差懸殊，因此，有必要對4310工作面留巷煤柱和頂板不同圍巖的強度和結構進行仔細的調查和分析。

2.1 圍巖強度原位測試分析

采用WQCZ－56型小孔徑強度測定裝置對4310工作面頂板和留巷煤柱進行了圍巖強度測試。在4220巷共布置7個測站，每個測站1～2鉆孔，用于測試圍巖強度和窺視，鉆孔位置分別位于4220副巷 1535m，1745m，1815m，2120m，2220m，2240m和2260m;其中頂板7個鉆孔，煤幫6個鉆孔，頂板鉆孔布置在頂板中間，幫部鉆孔布置在距巷道底板 1.5m處，鉆孔直徑 φ56mm，孔深8000mm。強度測試結果顯示，隨著鉆孔深度的增加，圍巖強度逐漸增大，巖石頂板巖體強度遠高于煤層頂板和煤柱煤體強度。留巷煤柱煤體強度主要集中在10～20MPa，平均強度13.2MPa;頂板巖層強度主要集中在20～40MPa，平均強度29.7MPa，其中頂板以上砂巖部分強度較高，平均強度在80MPa以上，屬堅硬頂板。2010年對成莊礦四盤區(qū)未受采動影響的頂板和煤體進行圍巖強度測試，測試結果為頂板巖層平均強度44.35MPa;基本頂為中－細砂巖，強度大部分集中在80～120MPa，平均強度93.07MPa;煤體強度大部分集中在15～25MPa，平均強度為19.94MPa，煤層中硬。強度測試結果表明，留巷巷道圍巖受4308工作面強烈回采動壓影響后，圍巖產生變形破壞，圍巖內部裂隙的張開和擴容變形導致巖體強度大大減弱，在這種較低強度煤體內沿采空區(qū)掘進巷道，必須考慮支護在具有較高阻力的同時還應具有較大的變形性能，使圍巖的變形能量得到釋放而讓壓，防止支護在高支承壓力作用下被破壞［4］，一旦控制不住，很有可能導致圍巖的大變形，甚至產生片幫、冒頂?shù)葹碾y性破壞。

2.2 煤柱圍巖結構分析

鉆孔窺視結果見圖2～圖3（35m煤柱）。

圖2 4308工作面回采300m后頂板鉆孔窺視

圖3 4308工作面回采1200m頂板鉆孔窺視

從鉆孔窺視結果可知，從4220巷往采空區(qū)側20m范圍內，孔內煤體圍巖裂隙十分發(fā)育，距巷道圍巖表面越淺，6m范圍內圍巖裂隙張開和擴容變形越強烈，裂隙、裂縫極其發(fā)育;隨著巷道圍巖的深入，在距孔口6～8m，10～12m和孔底20m處孔壁相對比較完整，其他地方孔內煤體仍較破碎，多處鉆孔已經不呈圓形。沿底板掘進的4220正巷頂板破壞嚴重區(qū)域為距孔口3m范圍頂板煤體內，從孔口到距孔口3m之間的巷道頂板，裂隙發(fā)育，并且破碎連續(xù)，淺部巖體破碎;3～10m巷道頂板基本上沒有發(fā)生破壞，孔壁完整，僅有少量的微裂隙和夾層存在，頂板整體完整。

綜合分析以上窺視結果可以得出:成莊礦受到鄰近回采動壓的影響后，留巷煤柱內裂隙張開圍巖的深度較大，擴容變形程度劇烈;留巷沿煤層底板掘進時，頂板裂隙張開主要集中頂板煤體中，巖石頂板中裂隙發(fā)育程度較小。因此，留巷煤柱內沿空巷道掘進時沿頂板掘進有利于頂板的維護，而且可提高頂板的錨固效果;沿空巷道幫部在掘進支護過程中，需要采用樹脂加長錨固或全長錨固，提高錨桿的預緊力，保證錨桿能起到主動支護的作用。

3 現(xiàn)場試驗

3.1 留巷煤柱內沿空掘巷支護設計原則

針對成莊礦4310工作面留巷巷道斷面大，且煤柱圍巖強度較低，煤巖體裂隙十分發(fā)育，且沿空掘巷的巷道服務年限一般較短的情況，在滿足安全生產的前提下，允許巷道的收縮量比正常巷道大，掘進時考慮設備和人員通行安全，預留巷道變形量，提出了留巷煤柱內沿空掘巷的支護原則:

（1）采用高預緊力，高強度，高剛度支護系統(tǒng)，提高圍巖強度和自身承載能力［1］，并考慮沿空掘巷上覆巖層的彈性變形是不可控制的，要求支護系統(tǒng)在具有較高阻力的同時具有較大的變形性能，使圍巖的彈性變形能量得到釋放而讓壓。

（2）通過輔助構件將錨桿預應力擴散到離錨桿更深更遠的圍巖中，提高支護系統(tǒng)的剛度，在支護體內形成網狀結構，防止新的有害變形和頂板離層大量產生。

（3）留巷煤柱內巷道沿巖石頂板掘進更有利于保持頂板完整性，能提高錨桿的錨固效果，有利于頂板的支護;幫部圍巖體裂隙比較發(fā)育，且圍巖體破壞區(qū)范圍較深，需采用加長或者全長錨固來保證錨桿提供較高的預緊力，提高主動支護效果。

（4）采用高強預應力錨索增強淺部承載結構的承載能力，提高預應力承載結構的穩(wěn)定性。

3.2 支護材料選擇

（1）由于4310工作面留巷煤柱受采動影響，煤巖體已經產生擴容變形，圍巖體強度均較低，必須通過高強度、高剛度、高預應力支護系統(tǒng)來阻止巷道圍巖強度的進一步降低，因此，要求支護材料必須具有高強度和高剛度。近年來，煤科總院開采設計分院對礦用高強錨桿支護材料進行了系列研究，并在各大礦務局得到推廣應用。高強錨桿力學性能見表1［1］，從表1中可知高強螺紋鋼錨桿具有較高的延伸率，保證支護承載結構能適應圍巖的大變形。

表1 高強螺紋鋼錨桿鋼筋的力學性能

（2）錨桿預應力的作用范圍是有限的，通過輔助構件如托板、W鋼帶、金屬網等提高支護系統(tǒng)的剛度，能將錨桿預應力進行有效擴散。

（3）采用1×19結構的φ22mm的大直徑、大延伸率、破斷力達600kN的強力錨索使錨桿支護形成的預應力承載結構與深部圍巖相連，充分調動圍巖的自身承載能力;同時高強度錨索能施加較高的預緊力，給圍巖提供壓應力，與錨桿形成的壓應力區(qū)組合成骨架網狀結構，主動支護圍巖，保持其完整性，通過錨索布置進一步增強采空區(qū)側小煤柱的穩(wěn)定性［3］。

3.3 支護設計

采用BHRB500材質的煤礦專用左旋無縱筋螺紋鋼筋，加工成直徑φ22mm、長度2400mm的強力錨桿。采用W鋼帶護頂，規(guī)格為BHW－250－4－4100－5。錨桿托板規(guī)格為150mm×150mm×10mm，錨桿要求垂直煤巖面施工，頂?shù)捉窃试S不超過10°的偏差，加球型墊圈調節(jié)錨桿角度，防止在螺紋處產生應力集中。采用金屬網護頂，規(guī)格為5.0m×1.2m，網片要緊貼巖面，用鐵絲將網片連接牢固，防止形成大的網包。

4310工作面斷面為寬×高4520mm×3100mm。頂板每排布置5根錨桿，排距為1000mm，間距為950mm;幫部每排布置4根錨桿，錨桿排距為1000mm，間距為800mm。

采用加長樹脂錨固的方式。每根錨桿采用1支K2335，1支Z2360的低黏度錨固劑。鉆孔直徑為28mm，錨固長度為1300mm。

頂板錨索:單根鋼絞線，φ22mm－7300mm，每根錨索采用1支K2335，2支Z2360的低黏度錨固劑進行加長錨固;錨索呈三花布置，第1排錨索2根，第2排錨索1根，排距為1.0m，錨索預緊力250kN。

幫部錨索:單根鋼絞線，φ17.8mm－4300mm，每根錨索采用1支K2335，2支Z2360的低黏度錨固劑進行加長錨固;采空區(qū)側錨索每排1根，排距為1.0m， “之”字型布置，煤柱側錨索排距為2.0m。錨索預緊力不低于150kN。

錨索托板規(guī)格為300mm×300mm×16mm，托板具有高強度、可調心的特點，并采用與φ22錨索配套的鎖具。

3.4 礦壓監(jiān)測

圖4 巷道圍巖變形量

由圖4可知，通過對巷道掘進不同位置圍巖變形觀測，4220副巷掘進期間圍巖兩幫移近量基本控制在250mm以內，頂板下沉量基本控制在100mm以內，巷道圍巖變形量在巷道掘進期間均在允許變形范圍內，且巷道圍巖趨于穩(wěn)定。表明留巷煤柱內沿空掘巷巷道采用了強力錨桿錨索支護系統(tǒng)，巷道圍巖變形得到了有效控制，保持了巷道圍巖穩(wěn)定，保證了工作面安全高效回采。

4 結論

（1）受回采動壓影響后，留巷煤柱內圍巖平均強度降低30%左右，頂板巖石強度遠高于煤體強度;煤柱內圍巖裂隙發(fā)育程度和深度較大，嚴重降低了煤柱的承載能力。

（2）針對留巷煤柱圍巖體力學性能，提出對沿空掘巷巷道采用高延伸率的高強錨桿及其配套構件，其能提供較高的支護阻力，在保證淺部形成可靠的承載結構的同時適應巷道圍巖大變形;進一步采用高強預應力錨索對兩幫和頂板進行補強支護，將淺部預應力承載結構與深部圍巖相連，提高預應力承載結構整體穩(wěn)定性。

（3）提出留巷煤柱沿空掘巷支護設計，現(xiàn)場礦壓觀測結果表明:采用強力錨網索支護有效控制了巷道圍巖變形，保證了掘進和回采期間巷道的穩(wěn)定性，確保工作面安全高效回采。

［1］康紅普，王金華，等.煤巷錨桿支護理論與成套技術［M］.北京:煤炭工業(yè)出版社，2007.

［2］侯朝炯，郭勵生，勾攀峰.煤巷錨桿支護［M］.徐州:中國礦業(yè)大學出版社，1999.

［3］康紅普，林 健，吳擁政.全斷面高預應力強力錨索支護技術及其在動壓巷道中的應用［J］.煤炭學報，2009（9）.

［4］柏建彪，王衛(wèi)軍，等.綜放沿空掘巷圍巖控制機理及支護技術研究 ［J］.煤炭學報，2000，25（5）:478－481.

［5］康紅普，姜鐵明，高富強 .預應力在錨桿支護中的作用［J］.煤炭學報，2007（7）.

TD353.6

B

1006-6225（2012）02--

2011－11－14

秦海忠 （1971－），男，山西高平人，工程碩士，工程師，現(xiàn)任成莊礦生產科長，主要從事煤礦生產技術開發(fā)與管理。

［責任編輯:姜鵬飛］

礦山壓力與災害控制