特厚煤層綜放工作面沿空掘巷圍巖控制技術研究

趙恩祺

（大同煤礦集團有限責任公司總調度室，山西 大同 037003）

為了節約資源，減少煤炭開采損失，小煤柱、無煤柱開采越來越受到廣大生產礦井的重視[1-4]。許多專家學者也對綜放工作面沿空巷道圍巖結構、應力分布和演化特征等進行了分析，結合具體地質條件提出了相應的圍巖控制技術[5-6]。本文以馬道頭煤礦8211工作面沿空掘巷為具體工程背景，對留小煤柱沿空掘巷圍巖變形進行分析，并提出相應的圍巖控制對策。

1 工程概況

馬道頭煤礦生產能力1000萬t/a，井田內有13層可采煤層，主采煤層共4層，為山4、3、5（3-5）、8號煤層。煤層總厚度為15.6～31.46m，其中5號煤層厚度10.56～16.22m，平均13.76m；3號煤層厚度2.15～7.05m，平均5.19m；3-1號煤層厚度0.97～2.56m，平均1.91m。3號和5號煤層之間存在一層巖性為泥巖、炭質泥巖的夾矸，厚0.7～3.6m，平均2.1m；3號和3-1號煤層之間存在一層巖性為泥巖和細砂巖的夾矸，厚0.71～8.21m，平均4.46m。馬道頭礦8211工作面一側為實體煤，一側為采空區，如圖1所示。5211巷為8211工作面回風巷，為矩形斷面，寬5m，高3.9m，面積18.5m2，沿8210工作面采空區掘進，留設8m寬小煤柱護巷，巷道平均埋深約450m。

圖1 8211工作面布置圖

2 圍巖變形分析及支護對策

2.1 圍巖變形分析

通過該礦以往小煤柱沿空掘巷實踐及5211巷道前期掘進觀測可知：沿空掘巷巷道頂板變形呈現一側高一側低的現象，沿空巷道斷面呈現明顯的梯形狀，煤柱側巷道頂板下沉量明顯大于煤體側巷道頂板下沉量；由于水平應力對巷道頂板的作用，巷道頂板出現水平擠壓變形，如圖2所示。由于巷道周圍煤巖體受到不同程度的工作面側向支承壓力作用，導致巷道不同區域圍巖的受力狀態不一，出現不同程度的破壞。留8m寬小煤柱沿空掘巷，新掘巷道正好處于上區段工作面采動側向支承壓力升高區，引起煤柱承載能力降低，從而造成煤柱和煤體側巷道出現不對稱變形。

圖2 頂板變形情況

5211回風巷頂板為11m厚軟弱煤體，由于上區段工作面采動影響，圍巖應力重新分布，在上區段側向支承壓力作用下頂煤裂隙增加并貫通，使得頂煤承載能力降低，加之小煤柱產生塑性破壞，承載能力大幅下降，對頂板約束能力亦下降，導致頂板控制難度大，下沉量大。小煤柱沿空掘巷頂板控制及小煤柱承載能力的加強是沿空掘巷圍巖控制的關鍵。

2.2 支護對策

（1）弱煤頂板“錨索-槽鋼”聯合支護

針對特厚煤層沿空巷道頂板圍巖和支護難點，采用以“錨索-槽鋼”聯合支護結構為主體的支護方式加固頂板煤體，如圖3所示。配合高強錨桿密集支護，提高頂板煤體支護強度和抗剪切能力，保證頂板的完整性。錨索拱結構與淺部錨桿組合梁形成的主承載區串接，控制錨桿支護區域離層發展；且可以平衡上覆荷載作用，減小頂板垂直應力和水平應力向巷道頂板方向傳遞，改善頂板應力狀態，使其呈現近似三維受壓狀態，從而提高其承載能力，達到控制頂板變形的目的。

特厚煤層巷道頂板為軟弱煤體，受巷道掘進或工作面回采引起的動壓作用，煤體會發生嚴重破碎，在圍巖表面產生的較大圍巖碎脹壓力，故需提供足夠的護表支護力，提高護表支護構件的支護強度、支護面積及支護剛度。由于沿空掘巷頂板在水平應力的作用下出現較大的擠壓變形，頂板護表支護構件需預留一定的水平運動空間，避免由于頂板巖層水平運動使得護表構件對錨索產生較大的剪切力，從而保證錨索的支護質量。槽鋼構件開孔位置及開孔尺寸示意圖如圖4所示。

圖3 “錨索-槽鋼”組合支護原理示意圖

圖4 “錨索-槽鋼”架構槽鋼開孔位置及開孔尺寸

（2）煤柱幫錨索主動支護

在上區段工作面采動應力影響下，圍巖必然形成大范圍的塑性破壞區，由于塑性區煤體破碎，其自身承載能力低，且錨桿錨索錨固力不足。為保證支護系統的剛度和強度，需合理設計煤柱側巷幫錨索長度，盡可能保證錨索錨固端位于彈性區穩定煤體內，保證煤柱側巷幫錨索能夠提供足夠主動作用力，在巷幫形成預應力承載結構，提高煤體的內聚力，充分調動煤體自身強度共同承載。

3 小煤柱沿空掘巷支護方案

3.1 頂板支護

采用左旋無縱筋螺紋鋼錨桿，直徑20mm，長2600mm，每排6根，間距900mm，兩幫側錨桿向外傾斜15°，其余垂直布置，錨桿排距為900mm。配套采用Q235材質托盤，規格為130mm×130mm×10mm。每排錨桿之間采用鋼筋梯子梁連接，采用直徑14mm圓鋼焊接，長5000mm，內寬60mm，外寬90mm。采用網格為50mm×50mm的8#菱形金屬網護表。

錨索采用1×7結構的預應力鋼絞線，直徑17.8mm，長8250mm，每排5根，間排距1100mm，近幫錨索與頂板垂線的夾角為15°，其余錨索垂直頂板布置，錨索排距為1800mm。錨索采用16號槽鋼連接，長4800mm。配合300mm×120mm×16mm的厚鋼墊片，鋼墊片開孔直徑為25mm。

3.2 巷幫支護

巷道兩幫錨桿支護所用錨桿材質和規格、錨桿托盤及金屬網的規格參數以及錨桿排距等均與巷道頂板錨桿支護保持一致，不同之處在于錨桿間距和鋼筋梯梁圓鋼直徑不同。巷幫每幫每排布置4根錨桿，間距1000mm，上部距頂板300mm，上仰15°打設，下部距底板600mm，下傾15°打設，中部2根錨桿垂直巷幫打設。錨桿采用直徑12mm圓鋼焊接鋼筋梯梁連接，長3500mm，內寬60mm，外寬85mm。另外，煤柱側巷幫采用錨索補強，錨索采用直徑17.8mm、長5250mm的1×19預應力鋼絞線，“2-2”形式布置，錨索排距與錨桿保持一致，錨索和錨桿間隔布置。上部錨索距頂1700mm，上仰15°打設，下部錨索距底1200mm，下傾15°打設。采用配套Q235型的蝶形托盤，規格為300mm×300mm×16mm。巷道支護斷面圖如圖5所示。

4 結語

（1）特厚煤層留小煤柱沿空掘巷由于巷道頂板為厚弱煤體，其自身強度低，承載能力弱，需要加強其頂板控制，加之小煤柱受上區段工作面采動應力影響，煤柱產生塑性破壞，承載能力降低，該側巷道頂板下沉量較大，在加大頂板控制強度的基礎上，需對煤柱進行加固，提高煤柱對巷道頂板的支撐力，使巷道圍巖形成一個整體，共同承載。

（2）5211回風巷試驗表明，“錨索-槽鋼組合支護+幫部高強錨索支護”的聯合支護技術能夠實現巷道圍巖整體承載，提高巷道圍巖整體性，圍巖變形得到有效控制，完全能夠滿足安全生產需要。

圖5 巷道支護斷面圖