泰業煤礦動壓巷道圍巖加固技術研究及應用

胡奇峰

（山西樓俊集團泰業煤業有限公司）

統計數據表明，至2025年，我國煤炭消費量在能源消費總量中的占比仍高達50%以上，可見未來一定時期內煤炭在我國能源消費中仍占主體地位［1］。就煤炭井工開采而言，回采巷道的順利掘進和穩定性維護是確保工作面安全高效生產的必要條件之一［2］。沿空掘巷受鄰近工作面與本工作面巷道掘進及回采所產生的動壓影響，巷道圍巖破碎、完整性較差、圍巖變形較大，甚至出現冒頂和片幫等風險，嚴重威脅著工作面安全［3-5］。對此，武建山等［6］提出“錨注支護+幫底澆筑+底板錨索”聯合支護方案，有效控制了南窯頭礦回風巷的圍巖變形。常青［7］采用“高強錨網索+噴漿”聯合支護措施，解決了龍頂山煤業9#煤運輸大巷受動壓影響變形較大的難題。張文平［8］基于數值模擬結果，確定了王臺煤礦153303 回風巷的最佳布置方式和區段煤柱寬度，并提出了“錨索支護+注漿加固”的支護方式，維護了巷道穩定性。由于泰業煤礦采掘接替緊張，在8301 工作面回采結束但圍巖新的平衡狀態尚未形成時，采用留窄煤柱沿空掘巷技術施工8302 回風順槽。但回風順槽支護時，未充分考慮上一工作面回采的動壓影響，導致巷道網兜現象明顯，局部出現掉頂，巷道圍巖變形較大，給巷道正常施工和工作面安全生產造成較大威脅。基于上述研究成果，本研究對泰業煤礦8302 回風順槽沿空掘巷圍巖變形控制方案進行研究，以期為類似工程條件巷道施工提供一定的參考。

1 工程概況

泰業煤礦當前主采3#煤，煤層厚度為1.75～3.55 m，平均為2.65 m；煤層傾角為4°～6°，平均為5°；煤層埋深為438～636 m，平均為537 m。3#煤直接頂為厚10.83 m 的細粒砂巖，老頂為厚1.00 m 的細粒砂巖和厚7.79 m 的粉砂巖；直接底為厚4.95 m 的細粒砂巖，老底為厚2.85 m 的粗砂巖。8302 綜采工作面位于3#煤八采區，北為保護煤柱，南鄰東翼3 條大巷，西隔8 m 寬的區段煤柱與8301 工作面采空區相接，東為實體煤區。8302 綜采工作面布置情況見圖1。出于提高煤炭回采率和延長礦井服務年限的考慮，8302 工作面回風順槽采用沿空掘巷技術進行施工。8302 回風順槽為跟底掘進，矩形斷面，尺寸為3.3 m×4.6 m（高×寬），設計長度為1 308 m。受8301 工作面回采和巷道掘進所產生的動壓影響，8302 回風順槽圍巖破碎，巷道掘進初期局部區域掉頂達500 mm，巷道圍巖變形量較大，控制難度較大。

2 原支護方案及存在的問題

2.1 原支護方案

8302 工作面回風順槽沿空掘巷初期采用錨網（索）支護，支護參數主要根據8301 工作面回采巷道支護參數確定。原支護設計如圖2所示，具體支護參數如下。

（1）頂板支護參數。頂錨桿采用φ20 mm×2 400 mm 的左旋螺紋鋼錨桿，間排距為900 mm×1 000 mm，頂板左右兩端錨桿距巷幫50 mm，所有錨桿均垂直于頂板布置。錨桿托盤規格為100 mm×100 mm，每根頂錨桿用MSK2340 樹脂錨固劑2 支。菱形金屬網由12#鐵絲加工，規格為5 000 mm×1 200 mm（長×寬）。頂錨桿預緊力為80 kN。錨索為SKP22-1/1720-5400 高強度預應力鋼絞線，采用“二O 二”的方式布置，間排距為2 000 mm×2 000 mm，錨索垂直頂板布置。錨索托盤規格為180 mm×180 mm，每根錨桿用MSK2340 樹脂錨固劑4 支。錨索預緊力為120 kN。垂直于巷道中線布置長4 400 mm的鋼帶。

（2）巷幫支護參數。幫錨桿采用φ18 mm×2 000 mm 的左旋螺紋鋼錨桿，間排距為900 mm×1 000 mm，頂、底角錨桿分別距巷道頂板和底板400 mm，與水平呈15°角布置，其余幫錨桿垂直巷幫布置，每根幫錨桿用MSK2340 樹脂錨固劑2 支。幫錨桿預緊力為60 kN。

2.2 巷道礦壓顯現特征

8302工作面回風順槽沿用了8301工作面支護方案，受8301工作面采動影響，8302回風順槽在掘進過程中礦壓顯現強烈。掘進后10 d 內，巷道頂板下沉量和兩幫移近量分別達到316.22 和562.51 mm，且呈現出明顯的非對稱變形，煤柱側巷道變形程度較實體煤側更為顯著，巷道頂板破碎，網兜現象明顯，局部發生掉頂現象，部分區段需假設π型鋼梁補打錨索進行補強支護。巷道圍巖破碎，裂隙較為發育，頂板離層量最大達到175 mm。部分區段錨桿螺母與桿體松動脫落，防沖扎絲失效等。

2.3 巷道圍巖變形分析

基于8302 回風順槽現場觀測結果，并結合類似工程地質條件工作面礦壓顯現情況分析可知，由于泰業煤礦采掘接替緊張，8302 回風順槽在8302 工作面回采結束4 個月后開始掘進施工，此時8302 工作面采空區頂板圍巖發生破斷、回轉下沉，原來應力平衡狀態被打破，新的應力平衡尚未形成。且在8302 回風順槽掘進產生的擾動影響下，靠近煤柱側巷道頂板和巷幫圍巖裂隙進一步發育，破碎程度進一步增加，原支護方案難以有效控制沿空巷道圍巖變形，礦壓顯現強烈［6-8］。原支護方案在使用過程中存在錨桿、錨索預緊力和長度不能滿足實際需求等問題。

3 巷道圍巖支護機理及加強支護方案設計

3.1 巷道圍巖支護機理

受相鄰工作面采動影響，沿空巷道一定深度范圍內圍巖裂隙發育、破碎程度增大，錨桿（索）支護懸吊作用下可有效增強巷道圍巖整體性，進而提高圍巖的承載能力［3］。錨桿（索）的長度和角度決定了其是否能將破碎圍巖有效地錨固在完整巖體上，因而通過增加錨桿（索）的長度和改變其布置角度，可實現提高錨桿（索）支護效果的作用［5］。此外，研究表明，縮小錨桿（索）間距，即增加錨桿（索）的布置密度，可顯著提高錨桿（索）支護強度，提高錨桿（索）預緊力可有效阻止巷道圍巖中裂隙的發育和擴展，提高巷道圍巖承載能力，并實現巷道圍巖的高阻讓壓，進而維護巷道圍巖穩定［7-8］。

3.2 加強支護方案設計

基于巷道圍巖控制機理，針對8302 回風順槽采用原支護方案時存在的錨桿、錨索預緊力和長度不能滿足實際需求的現狀，將錨索長度由原來的5 400 mm 增大至7 000 mm，間排距由原來的2 000 mm×2 000 mm 縮小為1 800 mm×2 000 mm，頂錨桿和錨索預緊力分別由原來的80 kN 和120 kN 增大至120 kN 和150 kN；將幫錨桿由原來φ18 mm×2 000 mm 改為φ18 mm×2 400 mm 的左旋螺紋鋼錨桿，同時將幫錨桿預緊力由原來的60 kN 增大至100 kN，以增強支護體系對圍巖的夾持和懸吊作用。加強支護設計如圖3所示。

4 工業性試驗

為了判斷加強支護方案的合理性及對巷道圍巖變形的控制效果，在8302 回風順槽進行現場試驗。在試驗段每隔50 m 布置一個巷道表面位移測站，共布置2 個測站，每2 d 對巷道表面位移數據測讀一次并記錄，對采用加強支護方案后30 d 內的巷道表面位移情況進行監測，監測結果如圖4所示。

由圖4 可知，在8302 回風順槽掘進期間，前16 d時巷道頂底板和兩幫移近量呈逐漸增大趨勢，該時期內巷道頂底板和兩幫移近量最大值分別為50.72和115.19 mm。在16 d 以后，巷道圍巖變形基本趨于穩定，30 d內巷道頂底板和兩幫累計移近量分別穩定在52.70 和116.51 mm。由此可見，加強支護方案對8302 回風順槽圍巖變形控制效果顯著，為巷道正常使用和8302工作面安全高效回采提供了保障。

5 結語

（1）對泰業煤礦8302 回風順槽原支護方案難以有效控制巷道圍巖變形原因進行分析，提出增大錨桿、錨索預緊力，錨索和幫錨桿長度及縮小錨索間距的加強支護方案。

（2）現場試驗結果表明，采用加強支護方案，巷道頂底板和兩幫累計移近量分別穩定在52.70 和116.51 mm，圍巖變形控制效果顯著，為巷道正常使用和工作面安全高效回采提供了保障。