鄰近工作面開采影響下巷道穩定性及支護研究

徐 鵬

(霍州煤電集團有限責任公司團柏煤礦，山西 霍州 031400)

團柏煤礦回采巷道受采動影響明顯，存在支護形式與參數選擇不合理的現象，造成支護強度不足，不能有效限制圍巖變形，致使巷道支護破壞，加大巷道維修工程量，甚至出現冒頂片幫事故，浪費支護耗材，影響開掘進度。以11-1052巷在采動影響的情況下為工程背景，提出初始設計。

1 工程概況

團柏煤礦11-105工作面所在的11號煤層平均厚度為3.3m。1052巷沿11號煤層頂板掘進，0.5m厚泥巖偽頂不予保留，偽頂之上依次是平均厚度4.2m的細砂巖和平均厚度2.3m的粉砂巖。11號煤層比較完整，裂隙節理不發育，屬自燃煤層，煤塵具有爆炸性。11-1052巷與10-1171巷重疊布置，離上覆10號煤采空區10-1192巷保安煤柱12.5m。11-105工作面開切眼長為140m，其與鄰近巷道的位置關系見圖1。

因為要在11-1041巷旁邊開掘11-1052巷，掘進期間11-104工作面開始回采，故11-1052巷將要面臨和11-104工作面對穿時出現的支護困難。

圖1 11-105工作面巷道布置剖面圖

2 11-1052巷道穩定性分析

通過數值模擬分析11-1052巷圍巖的穩定性，圍巖應力分布及位移分布分別見圖2和圖3。

由圖2知，當受到鄰近11-104工作面回采影響時，水平應力在11-1052巷煤柱幫側頂、底角處達到10～20MPa，但在整個巷幫處分布相對小些，為 0～10MPa，在頂板上為 20～30MPa，表明巷頂板容易出現水平錯動，應采用高抗剪強度的錨桿進行支護。垂直應力在圍巖表面為0～5MPa，頂、底角處為5～15MPa，而在煤柱側幫深部則達到35～40MPa。

圖2 11-1052巷圍巖應力分布

圖3 11-1052巷圍巖位移分布

圖3顯示，巷道煤柱幫側圍巖變形嚴重，頂角處垂直位移和水平位移分別達到100～150mm和150～200mm，巷幫處垂直位移和水平位移分別達到50～100mm和250～330mm。顯然，應重點預防頂角冒落和煤柱幫片幫。

11-1052 巷掘進時將和11-104回采面對穿，巷道對穿前系沿空留巷，對穿后變為沿空掘巷，雖然1052巷與104回采面之間留設煤柱，但由于回采影響煤柱幫變形較大，直接頂巖性較弱，頂板下沉量也不可忽視，建議加長回采時超前支護的距離，改善基礎支護的強度，提升煤柱幫的穩定性。

3 11-1052巷道支護設計

3.1 巷道支護參數選取依據

（1）錨桿長度。隨著錨桿長度的增加，錨桿全長中上部分和兩錨桿之間中部圍巖的壓應力會相應減小，使錨桿預應力作用降低、主動支護性減弱。因此，為提高頂板錨桿預應力，應選用合適的錨桿長度。

（2）錨桿間排距。當錨桿間排距縮小到一定程度后，會使單根錨桿形成的錐形壓應力區過度疊加，阻礙錨桿預應力的擴散，從而降低錨桿預應力作用[1-2]。所以，設計時將考慮通過增加錨桿間排距來提升錨桿預應力。

（3）錨桿角度。隨著頂板角錨角度的增加，角錨桿和中部錨桿各自的壓應力區逐漸分離，疊加區域越來越小，頂板支護的整體性減弱?？梢娦〗嵌冉清^是有宜的，故此次設計擬將角錨桿沿頂板法線布置。

（4）鋼帶強度。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。因此，決定采用高強度鋼帶改善支護系統的整體支護效果[3]。

（5）錨索長度。與錨桿類似，隨著錨索長度增加，兩錨索之間中部圍巖的壓應力逐漸減小，表明錨索對其間圍巖的補強作用不斷減弱?，F場實踐表明，高預應力的短錨索比低預應力的長錨索支護效果好[4-5]。所以，高強短錨索定為本次設計首選。

3.2 巷道支護方案

綜合以上分析，提出如下11-1052巷道支護方案。支護斷面圖見圖4。

（1）頂板支護。錨桿為22#左旋無縱筋螺紋鋼筋，長度2000mm，鋼材屈服強度為335MPa，桿尾螺紋為M24，螺紋長度150mm，配高強度螺母。錨桿排距900mm，每排6根錨桿，間距750mm。錨固方式為樹脂加長錨固，錨固長度1270mm，配CK2340和Z2360樹脂錨固劑各一個。托盤為150×150×8mm的拱型高強度托盤，托盤高不低于38mm，配調心球墊和減摩墊圈。采用單體錨桿配W鋼護板，規格為厚度4mm，寬280mm，長度450mm。采用10#鐵絲編織的菱形金屬網護頂，網孔規格為50×50mm，網片規格為4700×1000mm。錨桿預緊扭矩不低于350N·m。

錨索為Ф21.6mm，1×7股高強度低松弛預應力鋼絞線，長度5300mm（層間距變厚時錨索相應加長），采用樹脂加長錨固，選用一支KC2340和兩支Z2360樹脂錨固劑，錨固長度2000mm。錨索布置方式為“二·三”布置，間排距1600×1800mm/1500×1800mm。錨索安裝在兩排錨桿間頂板中部。用300×300×14mm拱形高強錨索托板，托板高不低于60mm，配調心球墊。錨索張拉預緊力200～250kN。

（2）巷幫支護。錨桿為22#左旋無縱筋螺紋鋼筋，長度2500mm，鋼材屈服強度為335MPa，桿尾螺紋為M24，螺紋長度150mm，配高強度螺母。錨桿排距900mm，每排每幫3根錨桿，間距1000mm。錨固方式為樹脂端部錨固，采用一支規格為Z2360。鉆孔直徑為30mm，錨固長度為780mm。托盤及W鋼護板規格同頂錨。菱形金屬網孔規格為50×50mm，網片規格為2700×1000mm。 錨桿預緊扭矩不低于350N·m。

錨索為Ф21.6mm，1×7股高強度低松弛預應力鋼絞線，長度4300mm，采用樹脂加長錨固，采用一支KC2340和兩支Z2360樹脂錨固劑，錨固長度2000mm。每排每幫施工一根錨索，排距1800mm。錨索安裝在兩排錨桿間巷幫中部。錨索托板規格同頂錨。錨索張拉預緊力200～250kN。

4 支護效果評價

采用十字布點法安設位移計對巷道表面位移進行觀測，其結果見圖5?？梢钥闯觯合锏乐ёo后23d，巷道表面變形趨于穩定，回采巷道兩幫移近量為200～250mm，平均為225mm；頂板絕對下沉量為70～120mm，平均為95mm，顯示巷道兩幫收縮量與頂板下沉量符合巷道斷面尺寸的變形要求。

通過成本核算，11-1052巷每米支護材料費用為2080.99元，見表1，與11-1042巷每米支護材料成本2240.21元相比，在保障巷道安全的前提下，節約支護材料費用159.22元，使支護成本降低7.1%。

表1 11-1052巷每米巷道支護材料成本

5 結 語

在分析11-1052動壓巷道圍巖應力位移分布規律基礎上，發現煤柱幫受力及位移均較大，最大內移量達330mm，通過適度減小錨桿和錨索長度、加大錨桿間排距、減小頂錨角度以及采用高強度鋼板等手段，提高錨桿錨索支護強度，滿足動壓巷道支護要求，且節約支護成本7.1%，實現了安全與經濟效益的提高。

圖4 11-1052巷道支護斷面圖

圖5 巷道表面位移變化曲線