厚煤層鄰采空側(cè)巷道布置及支護(hù)方式優(yōu)化

王曉平

（陽(yáng)泉煤業(yè)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司， 山西 陽(yáng)泉 045008）

1 礦井概況

陽(yáng)煤一礦主采15號(hào)煤層，賦存于太原組下部，煤層埋深平均540 m，煤層最大厚度9.03 m，最小厚度4.77 m，平均厚度6.91 m，煤層傾角2°～11°，平均4°，為近水平煤層；煤層硬度f(wàn)為2.0，煤層層理發(fā)育，節(jié)理較發(fā)育；直接頂為黑色泥巖，平均厚度1.09 m；基本頂為深灰色石灰?guī)r，平均厚度11.8 m。

煤層自然發(fā)火等級(jí)為Ⅲ級(jí)不易自燃煤層。絕對(duì)瓦斯涌出量165.76 m3/min，相對(duì)瓦斯涌出量14.05m3/t，正常涌水量為64 m3/h，最大涌水量為140 m3/h，無(wú)煤塵爆炸危險(xiǎn)。

工作面采用走向長(zhǎng)壁采煤法，后退式開(kāi)采，綜合機(jī)械化放頂煤一次采全高采煤方式，全部垮落法管理頂板。

2 鄰采空側(cè)巷道布方式

陽(yáng)煤一礦為使相鄰回采工作面間的煤柱產(chǎn)生彈性應(yīng)力核，在采動(dòng)過(guò)程中能夠互不影響，因而工作面間留設(shè)的煤柱主要以寬煤柱為主，寬度一般為20～25 m。為了提高巷道斷面利用率和掘進(jìn)速度，以及滿足生產(chǎn)、運(yùn)輸、通風(fēng)以及行人的需要，采空側(cè)巷道一般采用矩形斷面。隨著工作面煤炭產(chǎn)量的增大、通風(fēng)問(wèn)題要求的不斷提高和使用大型現(xiàn)代化綜合機(jī)械設(shè)備的需要，巷道斷面要求越來(lái)越大，采空側(cè)巷道寬度已達(dá)到5.2 m，高度已達(dá)到3.1 m，斷面面積達(dá)到16.12 m2。為了節(jié)省煤炭資源，有利于輔助運(yùn)輸過(guò)程，同時(shí)能節(jié)省支護(hù)頂板的時(shí)間，回采巷道從采區(qū)準(zhǔn)備巷開(kāi)口，沿頂板掘進(jìn)到停采線以后就改為托頂煤沿煤層底板掘進(jìn)，因此，受相鄰回采工作面采動(dòng)影響的巷道幾乎全部位于煤層下部。為緩解工作面接替緊張關(guān)系，往往在鄰近工作面剛回采結(jié)束完就開(kāi)始掘進(jìn)下一個(gè)工作面的鄰采空側(cè)巷道；有時(shí)，甚至因單翼采區(qū)布置或采掘接替緊張，鄰近工作面回采的同時(shí)需要準(zhǔn)備下一個(gè)工作面，出現(xiàn)迎采動(dòng)面掘巷現(xiàn)象。

頂板采用“錨索+鋼帶+金屬網(wǎng)”聯(lián)合支護(hù)，排距800 mm，間距960 mm，鋼帶使用BHB-960-220-4-5100的6眼波紋鋼帶；每排布置6根錨索，錨索使用Φ21.6 mm×7 200 mm的錨索，錨索托板均使用400 mm×200 mm×92 mm的鑄鋼波紋托板，藥卷使用MS雙速23/120型樹(shù)脂錨固劑。金屬網(wǎng)使用6 000 mm×1 000 mm經(jīng)緯金屬網(wǎng)。

兩幫采用“錨桿+錨索+金屬網(wǎng)”聯(lián)合支護(hù)，每排每幫布置一根錨桿兩根錨索，第一眼和第二眼布置Φ15.24 mm×5 200 mm的錨索，錨索托梁使用長(zhǎng)400 mm的14號(hào)槽鋼+300 mm×300 mm×12 mm的大墊片+200 mm×95 mm×12 mm的小墊片，藥卷使用MS雙速23/120型樹(shù)脂錨固劑。第三眼布置Φ22 mm×2000 mm的螺紋鋼錨桿，托板為350 mm×120 mm×50 mm框式托板，藥卷使用MSK23/60型樹(shù)脂錨固劑。錨桿錨索間距從頂板往下依次為400 mm/1 000 mm/1 000 mm/700 mm。幫網(wǎng)使用6 000 mm×1 000 mm的經(jīng)緯金屬網(wǎng)且橫向布置。

3 存在問(wèn)題

鄰采空側(cè)巷道采用現(xiàn)有的布置及支護(hù)方式造成巷道圍巖變形量大，即掘進(jìn)期間和回采期間，受動(dòng)壓影響巷道底鼓、頂板下沉、兩幫變形非常嚴(yán)重。經(jīng)分析總結(jié)，現(xiàn)有鄰采空側(cè)巷道布置和支護(hù)方式存在以下問(wèn)題：

3.1 煤柱寬度留設(shè)不合理

由于陽(yáng)煤一礦主采15號(hào)煤層，煤層節(jié)理裂隙發(fā)育，f值為2，直接頂為黑色泥巖，基本頂為深灰色石灰?guī)r。工作面回采結(jié)束后，側(cè)向支承壓力影響范圍較大，側(cè)向支承壓力峰值正好在20 m范圍左右，在該范圍內(nèi)布置巷道導(dǎo)致巷道大變形。而且該種方式對(duì)煤炭資源浪費(fèi)較嚴(yán)重，綜放開(kāi)采工作面外的煤炭損失大。

3.2 巷道掘進(jìn)層位不合理

巷道托頂煤沿煤層底板掘進(jìn)時(shí)，頂板煤體節(jié)理裂隙發(fā)育，穩(wěn)定性較差，所以造成巷道支護(hù)困難，頂板下沉量大，一味地增加錨索，并不能改變圍巖的受力狀態(tài)，導(dǎo)致巷道大變形，巷道維護(hù)困難，易發(fā)生煤片落或形成網(wǎng)兜。

3.3 掘巷時(shí)機(jī)的把握不準(zhǔn)確

對(duì)于礦井松軟、節(jié)理裂隙發(fā)育煤體的圍巖變形破壞機(jī)制不明確，導(dǎo)致在掘巷過(guò)程中受到臨側(cè)采空區(qū)頂板活動(dòng)的影響較大，同時(shí)受到臨側(cè)采空區(qū)瓦斯影響較大，巷道掘出以后在使用之前就已經(jīng)發(fā)生較大的變形。

3.4 支護(hù)參數(shù)與支護(hù)構(gòu)件匹配性不合理

1）巷道頂板采用相同長(zhǎng)度的錨索支護(hù)，支護(hù)系統(tǒng)剛度較大，不能形成讓壓承載層，而且巷道淺部圍巖只是靠長(zhǎng)錨索的懸吊擠壓作用保持穩(wěn)定，并不能形成穩(wěn)定的主動(dòng)承載結(jié)構(gòu)，當(dāng)有動(dòng)載現(xiàn)象（掘炮）時(shí)，會(huì)出現(xiàn)錨索斷裂的現(xiàn)象。

2）錨桿（索）與托盤(pán)不匹配。螺紋鋼錨桿的強(qiáng)度較高，鐵托盤(pán)的剛度過(guò)小，變形很大，尤其框式托板脆性較高，在經(jīng)受較大或突變的載荷時(shí)容易發(fā)生崩裂性破壞，框式托盤(pán)崩式破壞（見(jiàn)圖1）后在井下容易出現(xiàn)傷人事故。錨索托盤(pán)幾乎全部采用槽鋼，強(qiáng)度較低，在幫部不平整的地方，在預(yù)緊錨索的過(guò)程中就已經(jīng)發(fā)生變形，極大地降低承載能力。

3）缺少必要的支護(hù)配件。球形墊圈和減磨墊圈等支護(hù)配件對(duì)提高錨桿預(yù)緊力和減少錨桿（索）沿托盤(pán)處破斷具有很好的效果。巷道支護(hù)未采用球形墊圈和減磨墊圈，造成錨桿扭矩達(dá)不到要求，在增大扭矩過(guò)程中遇到的阻力很大。錨索多數(shù)采用槽鋼托盤(pán)，受到較大壓力后容易產(chǎn)生彎曲變形，導(dǎo)致錨索在托盤(pán)口處發(fā)生彎曲，沿托盤(pán)口剪斷的情況比較多，見(jiàn)圖1。

圖1 框式托盤(pán)崩式破壞和錨索被剪斷

4）幫錨桿支護(hù)系統(tǒng)整體性較差。巷道幫部采用點(diǎn)錨的方式，護(hù)表能力低，造成巷道兩幫的變形量大。由于煤層破碎，錨桿失效的較多，巷道兩幫一旦產(chǎn)生變形，補(bǔ)打錨索也不能夠控制，應(yīng)該采用鋼筋梯子梁，將單獨(dú)的錨桿或錨索連接為一個(gè)整體。

4 鄰采空側(cè)巷道布置及支護(hù)方式的優(yōu)化

4.1 煤柱寬度留設(shè)的優(yōu)化

煤柱留設(shè)的寬度是煤柱穩(wěn)定性和巷道圍巖穩(wěn)定性的關(guān)鍵所在，對(duì)鄰采空側(cè)巷道的維護(hù)效果和采出率均有較大的影響。通過(guò)對(duì)鄰采空側(cè)巷道頂板穩(wěn)定性力學(xué)分析，根據(jù)實(shí)際的地質(zhì)條件，在確保安全的情況下，結(jié)合產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)效益，確定工作面間的煤柱留設(shè)寬度縮小到8～12 m。

4.2 巷道掘進(jìn)層位的優(yōu)化

鄰采空側(cè)巷道受到工作面采動(dòng)影響，巷道的維護(hù)較為困難，巷道層位參數(shù)的正確選擇，可使巷道施工后巷道面貌好，巷道維護(hù)成本大幅度降低，取得良好的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。由于工作面回采能力不斷增大，機(jī)械化水平逐漸提高，要求工作面推進(jìn)速度快，回采巷道服務(wù)周期短，回采巷道沿頂板掘進(jìn)不僅可以提高掘進(jìn)速度，而且巷道頂板較容易控制，鄰采空側(cè)巷道確定采用沿頂板掘進(jìn)的方式。

4.3 掘巷時(shí)機(jī)的優(yōu)化

為避免鄰采空側(cè)巷道受鄰近工作面采動(dòng)影響，巷道一般在鄰近工作面采空區(qū)巖層活動(dòng)穩(wěn)定后掘進(jìn)。根據(jù)礦壓理論的研究可以確定上一個(gè)工作面采場(chǎng)頂板基本頂觸矸穩(wěn)定后為沿空掘巷的最佳時(shí)間，即在工作面回采結(jié)束半年后再進(jìn)行鄰采空側(cè)巷道掘進(jìn)，此時(shí)巷道受到的動(dòng)壓影響小，利于巷道支護(hù)。為緩和采掘關(guān)系緊張的矛盾，可盡量將采區(qū)布置為雙翼采區(qū)且采用工作面在兩個(gè)采區(qū)之間交替開(kāi)采的辦法。

若不可避免要進(jìn)行迎采動(dòng)面掘巷，要采用分段施工技術(shù)，迎采動(dòng)面掘巷應(yīng)該避開(kāi)鄰近工作面回采引起的超前支承應(yīng)力和滯后支承應(yīng)力影響，迎采動(dòng)面掘巷在距離工作面超前支承應(yīng)力以上停止掘進(jìn)，采取加強(qiáng)支護(hù)措施穩(wěn)控頂板，經(jīng)歷強(qiáng)烈動(dòng)壓作用影響后，在離工作面滯后支撐應(yīng)力范圍后再次掘進(jìn)，保證巷道圍巖變形易于控制。

4.4 支護(hù)參數(shù)及支護(hù)構(gòu)件的優(yōu)化

在煤巷沿頂板掘進(jìn)過(guò)程中，煤幫與頂板會(huì)不同程度地出現(xiàn)一定范圍的破壞區(qū)，依據(jù)懸吊理論，優(yōu)化巷道基本支護(hù)參數(shù)及支護(hù)構(gòu)件，保持破壞區(qū)范圍內(nèi)巖層的穩(wěn)定性。通過(guò)收集礦井相關(guān)地質(zhì)資料，對(duì)巖石力學(xué)參數(shù)進(jìn)行測(cè)試實(shí)驗(yàn)，根據(jù)測(cè)試結(jié)果進(jìn)一步進(jìn)行支護(hù)優(yōu)化。優(yōu)化后的支護(hù)方式如下所述：

頂板采用“主錨索+補(bǔ)強(qiáng)錨索+鋼帶+金屬網(wǎng)”聯(lián)合支護(hù)。排距1 000 mm，間距940mm，鋼帶使用BHW-940-280-4-5100的6眼W鋼帶；錨索布置方式：在鋼帶2、4，3、5眼交替布置補(bǔ)強(qiáng)錨索，其余眼布置主錨索。主錨索使用Φ21.8 mm×4 200 mm的錨索，補(bǔ)強(qiáng)錨索使用Φ21.8 mm×6 200 mm的錨索，錨索托板均使用300 mm×270 mm×14 mm的可調(diào)心W形托板（見(jiàn)下頁(yè)圖2）配合調(diào)心球墊，藥卷均使用MS雙速23/120型樹(shù)脂錨固劑。金屬網(wǎng)使用6 000 mm×1 200 mm經(jīng)緯金屬網(wǎng)。

兩幫采用“錨索+金屬網(wǎng)”聯(lián)合支護(hù)，每排每幫布置3根錨索，錨索間距從頂板往下依次為400 mm/1 000 mm/1 000 mm/700 mm。每排每幫第一眼和第二眼布置Φ17.8 mm×5 200 mm的錨索，第一眼和第二眼上鋼筋梯子梁，鋼筋托梁采用直徑14 mm鋼筋焊接而成，寬度210 mm，長(zhǎng)度1 400 mm；托板采用300 mm×270 mm×14 mm高強(qiáng)度可調(diào)心W型托板及配套調(diào)心球墊。第三眼布置Φ17.8 mm×4 200 mm的錨索，托板采用300 mm×300 mm×14 mm高強(qiáng)度可調(diào)心拱型托板及配套調(diào)心球墊。藥卷使用MS雙速23/120型樹(shù)脂錨固劑。幫網(wǎng)使用3 000 mm×1 200 mm的經(jīng)緯金屬網(wǎng)且縱向布置。

圖2W形托板

5 試驗(yàn)與礦壓觀測(cè)結(jié)果分析

按照上述優(yōu)化方案，在陽(yáng)煤一礦81303工作面回風(fēng)巷進(jìn)行應(yīng)用與試驗(yàn)，對(duì)巷道掘進(jìn)和回采期間進(jìn)行礦壓觀測(cè)，采集各個(gè)測(cè)站數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總，分析其圍巖控制效果及變形規(guī)律。

5.1 掘進(jìn)期間巷道圍巖變形的分析

掘進(jìn)期間巷道表面位移在掘進(jìn)初期增長(zhǎng)較快，隨著距離迎頭越來(lái)越遠(yuǎn)變形逐漸趨于平緩，最終穩(wěn)定在某一范圍內(nèi)。根據(jù)測(cè)站的觀測(cè)結(jié)果（見(jiàn)表1）可知，巷道圍巖變形在距迎頭大約150 m處穩(wěn)定，頂?shù)装遄畲笠平科骄鶠?40 mm，兩幫最大移近量平均為220 mm，變形主要體現(xiàn)在兩幫。巷道布置及支護(hù)方式優(yōu)化以后，巷道變形量明顯減小，沒(méi)有出現(xiàn)錨索破斷和被沿托盤(pán)口剪斷的情況，巷道穩(wěn)定性明顯增強(qiáng)。

表1 巷道圍巖變形量

5.2 回采期間巷道圍巖變形的分析

回采期間的巷道變形量進(jìn)行觀測(cè)，根據(jù)其觀測(cè)結(jié)果（見(jiàn)圖3）可知，巷道的頂?shù)装逡平看笥趦蓭鸵平?，巷道的頂?shù)装逡平孔畲鬄? 530 mm，兩幫移近量最大為1 260 mm，巷道變形從距離工作面110m的位置開(kāi)始增加，表明超前影響范圍約為110m。巷道布置及支護(hù)方式優(yōu)化以后，雖然巷道仍有較大變形，但相比優(yōu)化前取得了良好的改觀。

圖3 回采期間的巷道變形量

6 結(jié)語(yǔ)

雖然鄰采空側(cè)巷道圍巖控制比較困難，沒(méi)有固定的模式可循，但是針對(duì)具體的地質(zhì)情況，都可以找到適合自身的巷道布置與支護(hù)方案。通過(guò)合理優(yōu)化煤柱寬度、巷道層位、掘巷時(shí)機(jī)、支護(hù)方式等，能夠使巷道穩(wěn)定性增強(qiáng)，將圍巖變形量控制到最低限度。