孤島工作面臨空巷道U型鋼－錨網索耦合支護

楊 坤

（同煤集團 朔州朔煤 小峪煤礦，山西 懷仁038300）

煤炭工業是我國的基礎產業，其健康、穩定、持續發展關系到國家能源的重大安全。近些年，隨著煤礦開采深度不斷增加，生產條件不斷惡化，且出現了兩側或多側臨空的孤島工作面，巷道圍巖表現出明顯的高地壓、大變形、難支護等問題，尤其是自身強度較低的厚偽頂巷道更為顯著，嚴重影響礦井的安全生產〔1－2〕。

相關專家針對孤島工作面臨空巷道支護問題進行了大量研究，提出了一些針對性的支護技術，但由于巷道賦存條件和影響因素的復雜性、多變性和不確定性，巷道支護技術不盡相同〔3－5〕。本文根據22121首個孤島工作面的實際條件，基于臨空巷道圍巖穩定性特征及U型鋼－錨網索耦合支護機理，采用巷內U型鋼支護、采空側巷旁錨桿加強支護、巷頂及采空側肩窩錨索加強支護，探索適合工作面實際條件的支護形式。

1 工程條件

22121孤島工作面東為21141采空區，西至22101采空區，南為采區上山煤柱，北至臨近井田采空區。工作面采深約600m，二1煤層傾角3°～15°，厚度2.93～7.20m／5.1m。工作面平面布置見圖1。22121下順槽沿煤層底板掘進，上方為厚約2～3m的頂煤（偽頂），與21141采空區之間煤柱寬度為5m，整個巷道圍巖松散破碎、穩定性差、支護難度大，常規的錨桿支護難以奏效，有必要對巷道支護技術進行研究探討。

圖1 工作面平面布置

2 孤島工作面臨空巷道穩定性分析

孤島工作面臨空巷道礦壓顯現劇烈，與其特定的覆巖結構密切相關〔6〕。臨空巷道覆巖沿傾向形成的破斷面弧形三角塊B與實體煤側巖體A、采空區側塊體C形成鉸接的弧形三角塊結構，對臨空巷道圍巖穩定和應力狀態起決定性因素（見圖2）。巷道掘進期間，弧形三角塊結構沿傾向基本未斷裂，在其“掩護”之下，沿空巷道及窄煤柱只承受部分頂板壓力，對巷道掘進影響較小。采動作用下，弧形三角塊結構沿傾向發生斷裂，沿空巷道及窄煤柱承受冒落帶巖層重量及上覆巖層運動產生的強大壓力，對巷道穩定性影響較大。

圖2 孤島工作面沿空掘巷覆巖結構特征

3 軟巖孤島工作面臨空巷道支護技術

U型鋼支架具有高阻、可縮性和護表能力強等優點，但很大程度上受支架－圍巖相互作用關系制約〔7〕。錨桿支護作為一種巷道主動支護方式，具有高強度、高預緊力、較好圍巖適應性，但對圍巖條件依賴性很高〔8〕，尤其對于自身強度較低的軟弱圍巖巷道，其錨固力不足、錨固效果差、甚至產生錨桿失效破斷。U型鋼支架－錨網索聯合支護能夠實現二者的優勢互補，彌補各自的不足，使支護體系與圍巖共同構成統一的承載體，確保巷道的穩定。

3.1 巷內U型鋼支護

由于巷道初期無法使用錨網索支護，加之巷道不能空頂作業，為此巷道主體采用U型鋼＋金屬網（塑料網）進行支護。支架卡纜使用高預緊力螺母，對圍巖施加擠壓力；支架與支架之間安裝高強度連接板，使支護體系成為一個整體。此外，支架壁后鐵背板能使圍巖變形緩慢、均勻作用到支架上，實現均壓，提高支架整體承載力。

3.2 巷旁錨桿加強支護

在U型鋼支架基礎上，臨空側巷幫實施錨桿加強支護，提高對頂板巖層的支承力。通過安裝高強、高預緊力螺旋鋼錨桿，并配用高強度螺母、托盤，使圍巖處于三向受壓狀態，改善圍巖受力狀態，提高圍巖強度。

3.3 巷頂錨索加強支護

巷道頂部采用錨索加強支護，不僅減輕巷旁支護的壓力，同時提高了巷道頂板的穩定性。加長、高預應力錨索將煤體、支護物與深部穩定圍巖相連，充分調動深部圍巖的承載能力；高強度大托板可實現錨索預應力與工作阻力的有效擴散，實現均壓；高強錨索梁的使用能夠提高一定范圍內的支護系統的整體承載力。

4 工程實踐

根據22121下順槽的實際條件，參考類似條件巷道支護，巷道主體采用U29型鋼支護，臨空側巷旁采用錨桿加強支護，巷頂及臨空側肩窩采用錨索加強支護。巷道支護斷面見圖3。

1）巷道斷面形狀為三心拱形，掘進寬×高＝5000mm×3200mm，凈寬×凈高＝4600mm×3000mm，掘進斷面積14.2m2，凈斷面積12.3m2；巷內采用 U29型鋼支架配平鋼網支護，支架梁、腿搭接長度550mm，卡纜間距250 mm，每幫采用3套卡纜；支架間采用連接板固定，頂部1套、幫部各2套；支架棚距600mm，柱窩深度200mm。

2）臨空側巷幫采用Φ20×2400mm的左旋螺紋鋼錨桿，間排距700mm×1200mm，底角錨桿距底板400mm；錨桿木托盤規格：長×寬×厚＝300mm×200mm×50 mm，鐵托盤規格：150mm×150mm×8mm，木托盤在里，鐵托盤在外；錨桿垂直巷道輪廓線角度不小于75°，底角錨桿水平向下不大于15°；錨桿錨固力≥100kN，螺母預緊力≥120N·m，外露長度10～40mm；每根錨桿配備1卷CK2335及1卷Z2335樹脂錨固劑。

3）巷道頂部及臨空側肩窩布置2根錨索梁，長3000 mm，安裝在U型鋼下方，與U型鋼呈十字形交叉，錨索梁采用14＃B型槽鋼制成；鋼絞線錨索直徑18.9mm，長度8000mm，間排距1400mm×1200mm，托盤規格：長×寬×厚＝200mm×120mm×10mm，每根錨索使用2卷CK2335及2卷Z2335樹脂錨固劑，錨索外露長度150～250mm。

圖3 工作面支護斷面

5 工作面支護效果分析

為更好的檢驗巷道支護效果及掌握巷道圍巖變形情況、礦壓顯現規律，對巷道進行礦壓觀測，每50m布置一測站，共布置三組，每5天監測一次，共監測60天。巷道頂底板移近量及兩幫移近量見圖4。

圖4 巷道頂底板及兩幫移近量變化

監測結果顯示：

（1）巷道頂底板移近量及兩幫移近量逐漸增加，變形速率逐漸降低，并慢慢趨于穩定。

（2）3個監測點巷道頂底板移近量平均為95.60mm，變形速率最大為4.97mm／d，最小為0.18mm／d；巷道兩幫移近量平均為95.00mm，變形速率最大為3.83mm／d，最小為0.33mm／d。

（3）目前該巷道已掘進結束，巷道變形量較小，現有斷面能夠滿足使用需要。實踐證明，該支護技術能夠有效地控制巷道圍巖變形，具有較好的支護效果。

6 結語

1）孤島工作面臨空巷道覆巖形成的弧形三角塊結構對巷道圍巖穩定狀態和應力條件起決定性因素。巷道掘進期間，弧形三角塊結構沿傾向基本未斷裂，對巷道穩定性影響較小。采動作用下，弧形三角塊結構沿傾向發生斷裂，巷道穩定性影響較大。

2）U型鋼支架－錨網索聯合支護能夠實現二者的優勢互補，彌補各自的不足，使支護體系與圍巖共同構成統一的承載體，確保巷道的穩定。

3）根據22121下順槽的實際條件，巷道主體采用U29型鋼支護，臨空側巷旁采用錨桿加強支護，巷頂及臨空側肩窩采用錨索加強支護，現場支護效果良好。

〔1〕錢鳴高，石平五，許家林 .礦山壓力與巖層控制〔M〕.徐州：中國礦業大學出版社，2010.

〔2〕張 偉，張東升，陳建本，等 .孤島工作面窄煤柱沿空掘巷圍巖變形控制〔J〕.中國礦業大學學報，2014，43（1）：36－42，55.

〔3〕尤跟林，劉 洋，楊玉輝 .窄煤柱沿空掘巷錨網梁索支護技術研究〔J〕.煤炭技術，2011，30（1）：68－70，55.

〔4〕宋金旺 .特厚煤層綜放工作面臨空開采巷道圍巖控制技術〔J〕.煤炭工程，2010，（11）：46－48.

〔5〕趙洪民，丁 強 .沿空掘巷錨梁網索聯合支護的應用〔J〕.煤礦開采，2008，13（5）：62－65.

〔6〕華心祝，馬俊楓，許庭教 .錨桿支護巷道巷旁錨索加強支護沿空留巷圍巖控制機理研究及應用〔J〕.巖石力學與工程學報，2005，24（12）：2107－2112.

〔7〕謝文兵，荊升國，王 濤，等.U型鋼支架結構穩定性及其控制技術〔J〕.巖石力學與工程學報，2010，29（增2）：3743－3748.

〔8〕張 農，李桂臣，闞甲廣 .煤巷頂板軟弱夾層層位對錨桿支護結構穩定性影響〔J〕.巖土力學，2011，32（9）：2753－2758.