近距離煤層孤島綜采沿空掘巷支護技術研究

翟振宇

（山西西山晉興能源有限責任公司斜溝煤礦，山西 興縣 033600）

1 孤島工作面概況

華苑煤業9 號、10 號煤層采用聯合開采方式，并在開采過程中采用跳采方式先后開采了10 號煤的10201 和10203 工作面和9 號煤的9201 和9203工作面，留下了10202 和9202 孤島工作面。

10202 孤島工作面位于二采軌道大巷西南，西北與首采的10201、9201 工作面采空區相鄰，西南面為村莊保安煤柱邊界，工作面東北面與10203、9203工作面采空區相鄰，蓋山厚度為330.1～484.7 m。10號煤層煤厚法范圍3.34～4.75 m，平均4.23 m；傾角范圍5°～9°；上距9 號煤層4.35～6.21 m，平均5.32 m。工作面回采長度2 000 m，工作面長度198.5 m。

10202 工作面的兩條順槽位于9 號煤層遺留煤柱的下方，10202 膠帶順槽、10202 軌道順槽分別位于10203 工作面、10201 工作面采空區圍巖穩定后側向支承壓力增高區，還要遭受9 號煤區段煤柱支承應力影響，工作面回采時又經受采動影響，巷道圍巖承受壓力大，相應會有較大變形，現場維護也較為困難。為達到改善巷道應力環境、便于巷道支護維護以及增加煤炭資源回收的目的，確定留設6 m 寬的窄煤柱。因此，還需要在此基礎上對10202 孤島面順槽沿空掘巷支護技術進行進一步研究。

2 沿空掘巷支護設計原理

以10202 軌道順槽為研究對象，針對10202 軌道順槽變形破壞機理，并綜合巷道支護相關理論，對10202 軌道順槽進行支護設計原則主要包括以下幾個方面：

1）高強高預應力錨索的應用。利用錨索補強支護來提高巷道圍巖的綜合承載性能，提高頂板覆巖層間結合力，防止巷道肩角、幫角等位置遭到剪切破壞。

2）中空注漿錨索的應用。強化及膠結破碎圍巖，提高圍巖承載結構。

3）高阻讓壓單體液壓支柱輔助加強支護。采用高阻讓壓單體液壓支柱可以通過傳遞頂板高支承應力來減緩頂底板移近，緩和巷道圍巖變形調整。

3 沿空掘巷支護設計參數

10202 軌道順槽沿10 號煤層底板掘進，10202軌道順槽巷道斷面為4.0 m×3.6 m（寬×高），因此巷道頂板有厚度約0.6 m 頂煤。該巷道處于9 號煤層區段煤柱之下，會受到區段煤柱疊加支承應力影響，并且該巷道一方面要服務于本工作面回采，另一方面受上層工作面的采動應力的影響，巷道圍巖變形破壞會比較嚴重。結合10 號煤層現有的支護情況，確定數值模擬模型，比較支護試驗方案。

3.1 方案一（原支護方案）

1）頂板采用錨網索梁聯合支護形式。頂錨桿規格為Φ20 mm×2 500 mm 的高強度錨桿螺紋鋼，間排距900 mm×1 000 mm，配合規格為150 mm×150 mm×10 mm 的穹形鋼板托盤，安裝MSCKa2360 型、MSCKb2360 型樹脂錨固劑各1 支。錨索規格為Φ17.8 mm×8 200 mm 的7 股鋼絞線，垂直于頂板方向布置，間排距1 800 mm×2 000 mm，配合規格為250 mm×250 mm×16 mm 的穹形鋼板托盤，安裝1支 MSCKa2360型1卷型樹脂錨固劑、2 支MSCKb2360 型樹脂錨固劑。頂板網片采用Φ6.5 mm鋼筋網，尺寸2 000 mm×1 100 mm，網孔尺寸100 mm×100 mm。梯子梁采用Φ14 mm 鋼筋焊接制成，尺寸75 mm×3 400 mm，將卡欄焊接于梯子梁錨桿安裝位置，卡欄規格為76 mm×75 mm。

2）兩幫支護采用錨網索梁聯合支護形式。幫錨桿規格為Φ20 mm×2 500 mm 的高強度錨桿螺紋鋼，間排距為950 mm×1 000 mm，安裝MSCKa2360型、MSCKb2360 型樹脂錨固劑各1 支。梯子梁采用Φ14 mm 鋼筋焊接而成，尺寸75×3 200 mm，將卡欄焊接于梯子梁錨桿安裝位置，卡欄規格為76 mm×75 mm[1-2]。

3.2 方案二

頂錨桿規格為Φ22 mm×2 400 mm 的左旋螺紋鋼錨桿，間排距900 mm×1 000 mm，每排5 根。錨索規格為Φ22 mm×8 200 mm 的19 股鋼絞線，注漿錨索規格為Φ22 mm×8 300 mm 的SKZ22-1/860 mm型中空注漿礦用錨索，每排2 根，間排距1 800 mm×2 000 mm，注漿錨索與鋼絞線每排交替布置。幫錨桿規格為Φ22 mm×2 400 mm 的左旋螺紋鋼錨桿，間排距950 mm×1 000 mm，每排8 根；煤柱幫增打規格為Φ22 mm×4 300 mm 的注漿錨索，間排距1 200 mm×2 000 mm，每排2 根。

3.3 方案三

頂錨桿規格為Φ20 mm×2 500 mm 的左旋螺紋鋼錨桿，間排距為900 mm×1 000 mm，每排5 根；錨索規格為Φ21.8 mm×9 200 mm 的恒阻錨索，間排距1 400 mm×2 000 mm，“二三二”布置形式；幫錨桿規格為Φ20 mm×2 500 mm 的左旋螺紋鋼錨桿，間排距950 mm×1 000 mm，每排4 根，兩幫各增打兩根規格為Φ22 mm×6 200 mm 的注漿錨索。

4 數值模擬分析

4.1 數值模擬模型

通過FLAC3D 數值模擬軟件，在6 m 窄煤柱前提下，10202 軌道順槽采用三種不同支護方案下巷道垂直應力、位移和圍巖塑性區等情況進行分析，比評出的最優支護方案。10202 軌道順槽頂底板巖石力學參數統計情況見表1。

表1 10202 軌道順槽頂底板巖石力學參數統計

根據10202 工作面埋深情況，建立的數值模擬模型尺寸為408.6 m×300 m×95.8 m，均布載荷施加在模型上部邊界，固定模型其他其他五個邊界，煤巖體本構模型采用Mohr-Coulomb 模型。

4.2 10202 軌道順槽變形規律

對10202 軌道順槽掘進期間進行數值模擬，圖1 所示為其圍巖變形規律。

圖1 10202 軌道順槽掘進期間圍巖應力與變形情況

結合9203 采空區與10203 采空區的位置關系表明，二者距煤柱間的距離為14.6 m，即9 號遺留煤柱中的14.6 m 處于10203 采空區正上方。10202 軌道順槽沿空掘巷后，巷道所受的側向支承應力峰值位置會轉移到煤體深部，實體煤幫的支承應力要比原巖應力大，但其應力水平較低，巷道可處在應力降低、增高交界位置，相對地此時其支護較為容易；同時，巷道水平位移與垂直位移量較小，塑性區分布較小，煤柱內的破壞主要以剪切破壞為主。因此，針對10202 軌道順槽的支護方案，應主要加固煤柱幫和頂底板，適當對實煤體幫處進行支護即可。

4.3 不同支護方案下10202 軌道順槽數值結果分析

表2 所示為不同支護方案下垂直應力、頂底板及兩幫移近量統計表。

表2 不同支護方案下數值模擬結果統計

結合數值模擬結果，方案一中的順槽煤柱幫變形極為嚴重，主要表現為垂直應力集中程度大，位移量大，以及塑性區分布較為普遍，故若采用原支護方案則巷道后期維護成本極大。案二與方案三對于巷道加固均發揮了積極的作用，有效抑制了巷道變形，尤其是巷道煤柱幫區域的變形。但方案三不僅在實煤體幫也增加了注漿錨索，并且將頂板注漿錨索更改為恒組錨索，還增加了頂板錨索的數量，故其對巷道加固作用更為明顯，但其增加的支護成本較大[3-5]。

綜上所述，10202 軌道順槽采用方案二的支護方案最為合理，不僅可以充分發揮加固巷道的作用，還可以極大減小巷道支護成本的投入。10202 軌道順槽支護方案二如圖2 所示。

圖2 10202 軌道順槽支護方案二（單位：mm）