孤島工作面新掘巷道卸壓和支護機理研究

黃向良

(潞安集團 余吾煤業有限公司，山西 長治 046103)

孤島工作面回采巷道呈現出巷道圍巖破碎、巷道變形嚴重、礦壓顯現強烈等問題[1-3]。孤島工作面巷道圍巖破碎區范圍大，為確保巷道順利掘進及巷道掘進完成后滿足后期運輸和通風要求，避免因巷道出現圍巖收斂而進行的重復修巷，如何有效地對巷道礦壓進行避讓，降低巷道圍巖壓力，合理調整支護參數，實現主動支護來約束巷道的變形顯得十分重要。

1 概況

余吾煤業N1206工作面位于該礦北風井西翼采區南側，東側為N2201工作面（已采），西側為N1205工作面（已采）。工作面可采長度790m，切眼設計長度254m，主采煤層為3#煤層，煤層厚度平均6.4m，煤層傾角為+3°～ -2°，平均傾角2°。

N1206工作面采用“一進一回+高抽巷”的巷道布置方式，巷道N1206回順緊鄰N2201工作面，煤柱30m。N1206高抽巷采用內錯式布置，與N1206回順水平距離和垂直距離均為15m，N1206膠帶順槽緊鄰N1205工作面（未掘）。工作面平面圖如圖1所示。

圖1 N1206工作面巷道平面布置簡圖

2 巷道兩幫卸壓

N1206回順緊鄰N2201工作面，巷道沿底板掘進，N2201工作面采空區頂板全部垮落，巷道上覆巖層基本穩定。N1206回順掘進前455m，巷道礦壓顯現不明顯，此后，巷道出現煤體破碎，巷道幫部錨桿受壓變形等現象。在掘進至507m時，巷道迎頭出現連續煤炮聲，并出現巷道頂板高頂、巷道左幫片幫情況。繼續往前掘進，極易發生煤巷突出等事故，必須采取可靠的預防措施。

巷道卸壓方式通常包括水力沖孔、放炮卸壓及鉆孔卸壓。由于N1206工作面為孤島工作面，綜合考慮巷道煤體條件及瓦斯情況，采用鉆孔卸壓方式進行卸壓。根據相關資料顯示[4-5]，巷道幫部施工卸壓鉆孔能夠降低巷道上方及其周圍巖體的高應力值及高應力區的范圍,并且能夠把高應力區及高應力的極大值向煤體深處轉移,使得巷道圍巖塑性區范圍增大，應力集中區往巷道兩側煤體內部轉移，鉆孔的施工能夠給巷道煤體壓力集中區域產生一個補償區域，從而降低巷道幫部近距離側應力，降低發生巷道煤體突出的風險。鉆孔卸壓機理示意圖如圖2。由于N1206回順巷道緊鄰采空區，巷道左幫卸壓孔過長容易導致與采空區穿透。因此巷道左幫卸壓鉆孔單排垂直于幫部打設，鉆孔孔徑Φ91mm，孔間距2m。巷道右幫為工作面實體煤側，該幫采取在幫部掘外寬6m，內寬4m，深4m的硐室，在硐室內部向工作面方向打設6個深130m，孔為3

圖2 鉆孔泄壓機理示意圖

排2列，鉆孔孔徑91mm的卸壓孔，卸壓孔布置方式如圖3。

圖3 巷道兩幫施工泄壓孔圖

3 支護優化

通過卸壓鉆孔降低巷道圍巖內部壓力，使得巷道內部巖層區域穩定，巷道兩幫支撐壓力峰值轉向煤體內部，使得整個巷道圍巖松動圈外層區域穩定。但巷道圍巖松動圈內部煤體破碎，會產生兩幫收斂及底板底鼓等現象，還需通過優化巷道幫錨桿支護設計，增強巷道表面受力情況來控制巷道圍巖變形。

巷道兩幫原支護由單鋼筋托梁+5根錨桿變更為單體錨桿+W鋼護板進行支護，示意圖如圖4。采用W鋼護板，厚度不小于5mm，寬度280mm，長度450mm，高度不低于25mm。錨桿布置：錨桿排距900mm，每排每幫4根錨桿，間距1000mm。錨桿預緊扭矩要達到400Nm，且不能超過550Nm。

原支護方式下，兩幫主要采用鋼筋托梁進行護表，但鋼筋托梁與圍巖表面為線接觸，圍巖單線集中應力下容易破壞，且接觸面積小，不利于預應力擴散，采用W鋼護板擴大表面，避免上述缺點，能更好發揮錨桿主動支護作用。

新支護方案下，錨桿預緊力矩不低于400Nm，相較于傳統支護方式下，提高了初始預緊力，大幅提高了軸向作用力。鋼帶實現了錨桿預應力的有效擴散，顯著提高了對錨桿之間圍巖的支護作用，支護系統的整體支護效果明顯改善。

圖4 幫部優化支護圖

4 工程應用效果

通過對巷道內部施工卸壓孔，使得巷道周圍塑性區發生變化，應力峰值轉向巷道周邊煤體深部。通過優化巷道幫部支護，實現幫部受力面積的變化，來實現巷道的安全高效生產。

N1206回順掘進期間，每200m安裝一組表面位移測站，通過十字交叉法測量巷道圍巖變形情況，如圖5。其中B測站位于巷道400m處，該處巷道兩幫未施工卸壓孔，C測站位于巷道600m處，該處巷道已經在兩幫施工了卸壓孔，并優化了幫部支護。巷道B、C測站圍巖變形情況，如圖6、7所示。

巷道十字交叉法測量示意圖，在巷道頂板及兩幫中間打設木茬進行測量巷道頂底板及兩幫收斂情況。

圖5 十字交叉法測量示意圖

圖6 巷道B測站表面位移記錄圖

B測站數據顯示，巷道頂底板變形量較大，底板底鼓量較大，40d之內頂底板移近量達到0.9m，兩幫移盡量最大達到0.56m左右，巷道在工作面停產期間多次進行拉底。

圖7 巷道C測站表面位移記錄圖

C測站與B測站巷道表面位移做比較，巷道頂底板變形量最大值低于0.4m，且30d之后基本處于穩定狀態，巷道掘進前期變形量較小，巷道底鼓量不大，兩幫移近量最大值低于0.3m，巷道進行卸壓和支護優化設計后，巷道收斂率明顯降低，通過對比曲線發現，C測站處巷道變形斜率明顯降低，且在一個月之內很快達到穩定狀態。

現場施工時，施工卸壓孔及幫部支護優化后巷道兩幫煤體破碎程度好轉，且巷道響煤炮聲由每班響10次左右降低為每班3次以下。

5 結論

（1）通過巷道兩幫卸壓鉆孔的卸壓，降低了兩幫煤體的應力集中，煤炮聲次數減少，說明礦壓顯現降低明顯。

（2）通過對巷道兩幫支護進行優化設計，改善了巷道表面受力狀況，優化了巷道圍巖表面受力狀態，實現了巷道的優化支護。

（3）通過對巷道內部與外部受力狀態的改變，巷道收斂程度明顯降低，實現了安全生產，為類似條件下巷道掘進提供了參考。