深井孤島面巷道圍巖變形壓力轉移支護技術研究

田啟生 楊永剛 王先成

1.淮南礦業集團潘三煤礦， 安徽 淮南 232096 2. 安徽省煤炭科學研究院采礦支護中心，安徽 合肥 230001

深井孤島面巷道圍巖變形壓力轉移支護技術研究

田啟生1楊永剛2王先成1

1.淮南礦業集團潘三煤礦， 安徽 淮南 232096 2. 安徽省煤炭科學研究院采礦支護中心，安徽 合肥 230001

受深井高地壓及復雜圍巖應力環境影響，孤島工作面巷道在掘進與回采期間變形嚴重，難以滿足安全高效回采的要求。針對潘三礦1472（3）沿空巷道圍巖控制技術難題，提出了頂板以錨索支護為主，錨桿支護為輔、巷幫錨索桁架為核心的巷道圍巖變形壓力深部轉移支護技術。經現場實踐表明，該支護技術能夠有效控制巷道圍巖變形，顯著降低巷道維護成本。

孤島工作面；變形壓力；深部

深井高應力復雜條件下的巷道支護已經成為當前和今后長期影響煤礦安全生產和效益的技術性難題，并隨著采深的持續增加而越發突出和嚴重。深部巖體所處的復雜的三高（高地應力、高溫度、高滲透壓）環境及強烈的時間效應導致深部巖體組織結構、基本行為特征和工程響應均發生根本性改變，地下水、瓦斯等多、多相耦合作用均對巖體產生極大影響。同時，為了避免生產和接替工作面之間的干擾，采區內工作面之間被迫采用跳采、接替方式，不可避免地形成孤島工作面。此時上下順槽均為沿空巷道礦壓，顯現明顯使得采用常規支護設計的深部沿空巷道工程穩定性越來越難以控制，巷道斷面收縮嚴重，有些巷道需要反復維修，從而造成巷道的維護費用高出掘進費用數倍，嚴重影響礦井安全高效生產。

淮南礦業集團潘三煤礦1472（3）工作面為孤島工作面，上下順槽是典型的深井高地壓沿空巷道。巷道圍巖應力環境復雜，錨梁網支護將顯得非常困難，采用何種支護形式和支護參數保證該沿空巷道的安全、快速施工是保證工作面正常接替的關鍵性問題，也是過去普通錨梁網支護中未曾遇到過的新問題，具有重要的理論意義和實踐意義。

1 工程概況

潘三礦1472（3）工作面位于一水平西二采區，標高-726～-750m。回采煤層為13-1煤層，煤厚2.4～6.9m，均厚3.2m，黑色，水平層理，以塊狀暗煤為主。煤（巖）層產狀155～220°∠2～18°，平均傾角8°。根據使用要求，巷道沿煤層頂板掘進，1472（3）工作面回采巷道設計斷面寬5.2m，中高3.2m，有效斷面為16.64 m2，留設煤柱8m。具體的巷道采礦地質條件如下：

（1）1472（3）工作面下方為2009年10月底收作的1492（1）工作面和2007年5月收作的14102（1）工作面，該工作面將整體處于11槽煤的彎曲下沉帶內，巷道圍巖應力環境發生了重大改變，圍巖可能已經發生沉降、離層甚至斷裂，巷道圍巖變形及穩定性控制較為困難。

（2）直接頂巖性變化大，部分地段為砂質泥巖與13-2煤組成的復合頂板，層高4.1m，復合頂板的存在，且屬于高位復合頂板，給巷道支護參數的確定帶來影響。

（3）巷道埋深大，壓力大，煤柱受到采場“大結構”的影響，煤柱很大深度范圍內破壞嚴重，可錨性嚴重降低甚至喪失，給巷道變形控制帶來影響；

（4）該面為孤島工作面，上下順槽均處于沿空狀態，覆巖壓力較為集中，一側巷道的失穩將直接影響工作面的通風安全，必須有效控制巷道圍巖變形，同時保證工作面上、下順槽在掘進與工作面回采期間的安全、暢通。相比于單條沿空掘巷的工作面，對孤島工作面沿空巷道支護的穩定性及安全性要求更高。

（5）巷道寬度達5.2m，巷道寬度的加大，增加了巷道錨梁網支護的困難，同時也增加了巷道頂板可能冒落的高度，有可能使錨桿支護的效果降低、甚至完全失去效果。

2 巷道支護對策

（1）采用以錨索支護為主、錨桿支護為輔的支護方式，提高頂板的支護強度，防止頂板在巷道空間內斷裂。當沿空巷道掘進時，必須通過支護手段控制頂板的垮落，使設計錨索支護的錨固深度大于頂板的可能的離層高度，使錨索能夠錨固到比較穩定的頂板巖層中；采用組合錨索支護，實現錨索預緊力的有效擴散，提高頂板支護的整體性，充分發揮錨索的支護性能和支護潛力；

（2）加強煤柱幫支護強度，提高其支承能力，控制其變形。普通巷幫錨桿支護只能對煤柱的碎脹變形或松動變形起到約束作用，并不能阻止煤柱的整體性移出。煤柱破壞后便不再具有可錨性，或可錨性很低，安裝在煤柱中的錨桿的支護作用有限。巷幫采用錨索桁架方式可將淺部煤柱的變形壓力轉移到深部巖體。

（3）沿空掘巷時，由于側向支承壓力影響，煤柱已破碎嚴重，支承能力低，巷道頂板的壓力可能會轉移到工作面側的煤體上，這無疑會加大實體煤側的變形。為了控制巷道頂板的下沉離層，保持巷道的穩定和安全，也需要加大工作面側巷幫的支護強度，采用桁架錨索支護將淺部煤柱的變形壓力轉移到深部。

3 巷道支護方案

基于采礦地質條件分析以及，提出巷道支護設計方案，見圖1。

巷道頂板采用兩種支護單元進行支護：第1支護單元由錨桿和M5鋼帶組成，鋼帶長度4.8m。鋼帶沿巷道頂板橫向布置，每根鋼帶上安裝6根錨桿，除肩窩位置兩根錨桿與鉛垂面15°角錨入外，其余均穿過鋼帶孔全部垂直頂板錨入。為便于管理及施工方便頂板錨桿統一采用Φ22×2400mm左旋螺紋鋼等強錨桿。采用網孔不大于40mm的8#金屬網緊貼頂板鋪設，縱向搭接，搭接長度200mm。搭接處用12#鐵絲扎結，且用鋼帶壓茬。

第2支護單元由T3鋼帶和錨索組成錨索桁架，沿巷道縱向共布置4排錨索桁架。錨索桁架距巷幫800mm布置，其余均間隔1200mm，中間兩排與兩側T3鋼帶沿巷道縱向錯開800mm布置。每根T3鋼帶上布置3根錨索。錨索穿過T3鋼帶上的安裝孔垂直頂板安裝。金屬網緊貼頂板鋪設，M鋼帶壓住金屬網，T3鋼帶壓住M5鋼帶。沿巷道縱向，相鄰的兩根T3鋼帶不搭接，相距400mm。

巷幫采用錨桿+平鋼帶+錨索桁架進行支護。沿巷道高度共布置4排平鋼帶，平鋼帶沿巷道縱向布置，每根平鋼帶上布置3根錨桿。巷幫錨索桁架為T3鋼帶，豎向安裝，并壓住中間兩排平鋼帶。每根T3鋼帶上布置2根錨索，上部一根錨索以水平面成20°的仰角錨入，底部一根錨索距底板600mm水平錨入。錨桿的間、排距為800×800mm，長度2800mm，T3鋼帶長度為1800mm，錨索間排距為1600×1600mm。

圖1 巷道支護設計方案

4 沿空巷道數值計算分析

（1）模型建立

采用UDEC3.1對巷道支護參數進行模擬分析計算。數值模型的建立根據潘三礦地質條件，巷道埋深740m。巷道頂底板巖性參數以礦方提供的柱狀圖為準。模型大小長×高=850×400m，包括1472（3）工作面臨近的采面14102（1）工作面、1462（3）工作面、1482（3）工作面、1492（1）工作面等。模型兩側限制水平方向移動，模型底邊限制水平方向和垂直方向移動，模型上表面為應力邊界，根據巷道埋深計算頂面加自重荷載q垂直=12.5MPa（q=rh）作為補償載荷，材料破壞遵循Mohr-Coulomb強度準則。

（2）計算分析

巷道頂底板及兩幫最大位移量見表1所示。

表1 巷道圍巖最大位移量

由表1結合圖2巷道圍巖位移矢量及圖3塑性區分布圖可以看出，未支護時，頂底板移近量為906.9mm，兩幫移近量為552.7mm，底鼓量占頂底板移近量的68.2%，煤柱幫變形量為兩幫移近量的47.5%。總體來看，頂底板變形量以底鼓為主，頂板表現為整體下沉，約占總量的60%以上，兩幫變形基本呈對稱分布；巷道支護后頂板下沉量211.7mm，底鼓量為546.3mm，頂板表現為整體下沉，較未支護下沉降低61%，底板未支護相比無支護狀態變化不大，兩幫變形量顯著減小至215.1mm，相比無支護狀態下降61%。由此可見，支護后頂板錨桿和錨索發揮了重要作用，錨桿和錨索通過較高的預應力作用于頂板，使得頂板巖層形成組合梁結構，抗剪強度和抗變形能力大幅提高，從而維護了巷道頂板穩定；煤柱幫的錨索桁架支護系統將淺部煤體的變形轉移到深部，傾斜的錨索錨固段深入到頂底板巖體內，生根點位于穩定巖層內，有效控制了煤幫變形，而實體煤幫采用長錨桿進行了支護，支護效果也明顯好于短錨桿支護，但較錨索桁架支護較差。

圖2 圍巖位移矢量分布

圖3 圍巖塑性區分布

（3）模擬結論

通過對孤島工作面雙沿空巷道的模擬分析，可以得出如下結論：

a 沿空掘巷后，巷道兩幫煤體已發生松散破壞，可能發生的塑性破壞的深度達3m以上，采用普通短錨桿對控制巷幫變形效果不明顯，巷幫采用桁架錨索，并將錨固段深入到頂底板穩定巖層中，可以有效控制煤幫整體向巷道空間內的位移。

b 巷道支護參數及方案能夠有效控制巷道圍巖變形。巷道兩幫變形量在300mm以內，頂底板移近量600mm以內，且以底鼓為主，能夠滿足巷道使用要求。

5 巷道圍壓控制效果

在巷道開掘過程中布置了多個測點進行巷道圍巖位移、壓力的監測，限于篇幅，列舉軌道順槽內其中一個測站進行分析，如圖4所示。該測站共監測200余天，巷道兩幫變形量397mm，頂底板移近量426mm，12天后圍巖變形速度小于5mm/d，以后變形速度維持在1～2mm左右，處于穩定狀態。

從軌道順槽整體情況來看，巷道掘進過程中，巷道兩幫變形量300~400mm不等，頂底板移近量400mm左右的范圍內，巷道變形得到了有效控制。巷道自穩所需時間短，基本上11～15天后，圍巖變形趨于穩定。本工作面回采時，在采煤面附近巷道斷面收斂較為嚴重，與巷道掘進斷面相比，巷道兩幫總移近量為1200～1300mm左右，底鼓量為1100mm左右，采煤面附近巷道寬度保持在4000mm左右，巷高保持在2100mm左右，能夠滿足通風、行人等要求。

圖4 巷道圍巖變形曲線

6 結語

（1）提出的深井沿空巷道頂板錨索支護為主，錨桿支護為輔，巷幫錨索桁架為核心的巷道圍巖變形壓力深部轉移支護技術，井下試驗歷時1年的時間，經歷了掘進與回采雙重考驗，經礦壓觀測，巷道掘進至回采兩幫累計移近量1200mm左右，頂底板移近量1100mm左右，巷道安全狀況良好，滿足使用要求，期間未臥底刷幫，實現了一次成巷；

（2）頂板錨索支護為主，錨桿支護為輔，巷幫錨索桁架為核心的巷道圍巖變形壓力深部轉移支護技術減少了巷道維修量，降低了巷道維護成本，支護試驗的成功為礦區在類似條件下的沿空巷道支護進行了有意義的嘗試，并積累了寶貴經驗。

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10.3969/j.issn.1001-8972.2012.09.020