沿空掘巷讓壓錨桿支護技術研究與應用

尹英文 馬麗妲 王曉菡

（山東鼎安檢測技術有限公司，山東 濟南 250032）

隨著開采地質條件越來越復雜，原有的錨桿支護系統難以保證安全生產，尤其是深井巷道支護問題日益嚴重。郭屯煤礦在四采區進行沿空掘巷，如何確定留設煤柱寬度尺寸和巷道支護參數是沿空掘巷成功的關鍵。

1 概況

郭屯煤礦主采3煤層，在四采區實施沿空掘巷，四采區煤層平均厚度為2m。偽頂為砂質泥巖，厚度0～1.6m；直接頂為中砂巖，平均厚度6m；直接底為砂質泥巖，平均厚度1.8m，埋深800m以上。四采區沿空掘巷順槽有2m厚巖性較差的砂質泥巖，支護困難，沿空掘巷成型后在采空區側的煤幫變形大。

2 沿空掘巷圍巖變形機理

（1）圍巖變形特征

沿空掘巷是沿采空區側煤體留設窄煤柱或者不留煤柱的情況下進行巷道掘進，由于其特殊的工作條件，在掘進初期巷道無支護，圍巖垮落較快，使用錨桿對圍巖進行支護也不能控制圍巖變形速度和變形量。

圍巖變形主要是以底鼓為主的頂底板移近和兩幫移動。在距離幫壁3m左右甚至更大范圍內，圍巖會發生明顯的位移。若支護不合理，當變形程度超過支護結構承受強度時，支護就會失效，巷道失穩變形。

圍巖變形受應力影響較大，若主應力為垂直于巷道軸線方向的構造應力，則圍巖變形量大；若主應力為平行于巷道軸線方向的構造應力，則圍巖變形量小。圍巖變形受環境變化和應力擾動的影響較大。

（2）巷道失穩的力學機理

掘進前，圍巖處于應力平衡狀態，開始掘進后，應力狀態就會由三維改為二維狀態，當周邊應力強度高于圍巖的承壓強度時，圍巖就會破壞，主應力最大值向上部巖層內部轉移，應力場重新分布，此時，若保證巷道圍巖不失穩應進行巷道支護，若不支護，可能會誘發圍巖失穩。

① 松動壓力作用。松動壓力是地質和圍巖結構下形成的，多出現在巷道頂部和兩幫，主要原因是在巷道掘進后，圍巖應力重新分布，受到重力作用，若支護強度不夠就會出現冒落和片幫。

② 形變壓力作用。巷道掘進后會出現二次應力，受到該應力的影響，圍巖會出現非彈性和粘彈性的變形，形變力的形成是受重力影響形成應力集中，部分圍巖出現塑性或流變狀態，當巖層的強度很高，無支護的塑性區會擴大，在到達一定數值后不再變化，在隨行區域的邊緣形成高切向力的承載環。

本文與其他同頻段文獻的相位噪聲對比，如表2所示。本文設計的頻率源的相位噪聲實測值可達-87.1 dBc/Hz@1 kHz，比文獻[11]中的車載防撞雷達頻率源的相位噪聲改善了24 dB，比文獻[12]中的24 GHz調頻連續波雷達頻率源的相位噪聲改善了21 dB。

圖1 巷道圍巖變形與支護特征曲線圖

圖1為圍巖變形與支護特征曲線圖。當圍巖的變形量大于圍巖自身允許變形的最大值時，圍巖就會破壞至垮落，形成的松散壓力附著在支護結構上，支護結構的承載能力就會增加。將支護結構設置在支護抗力最小的K點，圍巖最穩定，同時也能有效限制不利變形的擴展。

（3）留設煤柱寬度的確定

圖2 力學模型

圖2 （1）為窄煤柱力學模型，根據經驗煤柱α一般為4.5～5m，巷道布置在煤柱的彈性區，因此留設的煤柱起到隔離采空區和沿空掘巷空間的作用，不受負載。

圖3（2）為寬煤柱力學模型，當沿空掘巷留設寬煤柱時，煤柱向內部依次表現為片幫、圍巖塑性變形、應力增大的彈性區。片幫區無法承受垂直應力但能傳遞水平應力，松弛區承載的載荷小于原始應力，塑性區承受的應力高于原始應力。

因此沿空掘巷時巷道位置圍巖條件的影響，充分考慮煤體的彈性區、塑性區和煤體應力的影響，沿空掘進的順槽布置在留設4.5～5m的窄煤柱的松弛區范圍內。

3 巷道支護設計

（1）平衡支護技術

根據巖層結構和受力情況，在預應力支護和高強度錨桿基礎上提出的巷道支護技術。其原理是使支護結構與巖體共同形成一個承載體應對巷道的應力與圍巖變形，使巷道圍巖保持穩定。因此，在實施平衡支護技術時，選擇的支護錨桿具備足夠強度，支護完成后能夠“讓壓”，在巖體釋放能量時允許產生一定的變形，保持巷道圍巖應力平衡。

為達到讓壓支護的目的，錨桿強度應能滿足額定預應力強度要求，利用讓壓錨桿為巷道巖體的變形提供空間，緩沖支護初期的預應力。在讓壓變形后，支護體系與圍巖形成整體維持巷道的穩定性。

（2）支護參數設計

巷道采用矩形斷面，寬4.5m，高3.6m。其支護斷面圖見圖3，支護參數為：

頂板支護：高強預應力讓壓錨桿Ф20×2400mm，預應力≥5t，扭矩≥240N·m，支護間排距1000×1000mm，安裝時采用阻尼螺母和沖壓球形托盤；錨索：Ф21.6×6000mm，預應力≥6～8t，間排距1500×2000mm。

幫支護：高強預應力讓壓錨桿Ф20×2000mm，預應力≥5t，扭矩≥240N·m，支護間排距1000mm×1000mm，安裝時采用阻尼螺母和沖壓球形托盤。

金屬網：Ф6100×1000mm圓鋼焊接網。

鋼筋梯：鋼筋梯采用Ф8mm的圓鋼焊接而成。

圖3 巷道支護設計圖

4 沿空掘巷順槽觀測及結果分析

（1）觀測方案

在巷道內設立觀測站，每個觀測站內對巷道頂底板及兩幫位移進行觀測。

① 錨桿錨索應力計。采用錨桿應力計觀測錨桿錨索受力情況，每個觀測站將錨桿應力計布置在錨桿排的中間位置。

② 巷道表面位移觀測。采用十字布點法對巷道表面位移進行觀測，首先在頂底板中心線垂直方向和兩幫的水平中心線布置鉆孔，放入木樁進行測點標記，進行觀測。

（2）200#觀測數據及分析

表1 200#斷面變形觀測數據表

由表1中頂板錨索測點數據看出，錨索安裝預應力為11.27t，觀測期間最大應力為30MPa，即為14.7t，錨索增阻速度：0.343t/d。

由表1中頂板左旋的讓壓錨桿測點數據看出，頂板左旋的錨桿初始安裝應力為8.5MPa，即4.165t，錨桿的增阻速度：0.1715 t/d。

由表1中頂板右旋的預應力錨桿測點數據看出，頂板右旋的錨桿初始安裝應力為11MPa，即3.59t，錨桿的增阻速度：0.196 t/d。

根據觀測數據得出200#的斷面頂板錨索和頂板左右旋的增阻曲線見圖4。

圖4 觀測斷面錨桿左右旋及錨索增阻曲線

從圖4可以看出，錨索、錨桿的增速速度逐漸趨于穩定，現有的頂板支護體系能夠滿足頂板支護的要求。

根據觀測數據得出200#斷面變形量見圖5。

由圖5分析得出，觀測10d頂板下沉速度：11mm/d，觀測42d的頂板下沉速度：4.1mm/d，頂板還未進入穩定期。觀測10d兩幫移近速度：13mm/d，觀測42d的兩幫移近速度：4.7mm/d，兩幫移近量較大，現有的支護方式不能夠有效控制兩幫。

圖5 200#觀測斷面變形量

5 結論

通過留設4.5～5m窄煤柱，在松動區范圍內進行沿空掘巷導致重新分布應力小于原始地應力，能夠減少煤炭損失。

通過實施錨索和讓壓錨桿支護體系，確定郭屯煤礦沿空掘巷方案，有效地控制巷道圍巖變形，實現了沿空掘巷的圍巖穩定。