沿空留巷礦壓增大的支護技術與實踐

張文豪

（山西蘭花科技創業股份有限公司大陽煤礦分公司，山西晉城 048000）

煤炭屬于不可再生資源，在我國煤炭大量開采的當下，煤企如何在保證安全高效生產的前提下，獲得更高的資源采出率成為了企業所面臨的技術難關[1]。無煤柱開采對于煤炭資源采出率的提高具有顯著效果，特別在中厚煤層的開采中具有良好的應用前景。而沿空留巷技術的提出更是對無煤柱開采的重要補充，可以有效減少巷道掘進的工作量、延長工作面服務年限，并對工作面瓦斯涌出有一定治理效果[2-4]。但沿空留巷后如果對巷道支護不足，則會產生二次來壓，圍巖發生傾斜、底鼓等現象，影響礦井生產安全[5]。本文以大陽煤礦3406 工作面為研究對象，對其沿空留巷的支護工藝進行了優化，并對其支護效果進行驗證。

1 工程概況及發現問題

1.1 工作面概況

大陽煤礦3406綜采工作面位于3號煤層四采區中部，地面標高+1145～+1310m，地形總體為西高東低，工作面傾向長1181m，走向長260m，煤層結構簡單，含有夾矸0～2層。巖層頂底板信息如表1所示。

表1 3406工作面頂底板信息

1.2 工作面礦壓問題

3號煤層采用無煤柱開采法進行采掘，目前該工作面軌道巷礦壓大，礦壓顯現劇烈。柔模砼墻有明顯傾斜變形，目測最大傾角10°左右，墻體傾斜段巷道底鼓明顯，底鼓高隆處距離柔模墻1.2m 左右。同時端頭區墻體有明顯壓碎現象，π型鋼梁壓彎變形，具體表現為墻體一側壓力大，煤幫整體松散破碎。

1.3 大變形機理分析

基于3406 工作面地質與開采條件，根據無煤柱開采礦壓理論分析，認為造成3406 工作面軌道巷大變形的直接原因在于以下幾個方面：①底鼓主要由留巷壓力及采動壓力造成，底鼓造成墻體傾斜，墻體傾斜后持續給底板一個向巷內的水平力，造成底板的二次擠壓，進而加劇底鼓，同時傾斜角度越大，則底鼓越明顯；②當前單體柱的打設角度不合理造成單體柱傾斜，支護強度不足，導致巷道變形；③墻體側補強錨索打設角度和位置不盡合理，未能保護墻體頂角處頂煤完整性，造成頂煤臺階下沉量過大，頂板尤其是臺階下沉段頂煤隨頂板向采空區方向位移，推倒墻體，加劇傾斜。

綜上所述，減少3406 工作面軌道巷大變形應著重從避免墻體傾斜入手，加強墻體頂角側頂煤的管理，同時保證單體柱支撐有力。

2 頂板注漿錨索加固設計

基于前述分析結論，設計在軌道巷頂板補打注漿錨索，實現錨索的全長錨固和破碎圍巖的膠結加固，保護頂煤完整性，發揮圍巖自承能力，減少臺階下沉量和幫鼓量，減輕頂煤對墻體上部的側推力，確保3406工作面長時間停采期間軌道巷斷面符合生產要求。

2.1 注漿錨索設計

針對關鍵部位選用SKZ22-1/1860 型號錨索進行注漿補強，該錨索屈服強度大于1640MPa，破斷荷載大于1860MPa，破斷力大于400kN，最大外徑22.4mm，適應孔徑32mm，長度8300mm，索體為中空結構，自帶注漿芯管，可直接與注漿泵連接進行高壓注漿。錨索布置方面如圖1 所示，每排打設2 根注漿錨索，間距2000mm，排距1800mm。第1根錨索距離墻體500m 位置處打設。這樣的排列方式可以保證錨索的預應力得到充分的釋放，只有高預應力的錨桿（索）支護才是真正的主動支護，才能發揮錨桿（索）支護的作用。

圖1 軌道巷注漿錨索加固橫斷面

2.2 注漿材料設計

注漿材料選擇馬麗散及水泥進行分情況注漿。由于到馬麗散成本較高，因此利用其凝固速度快早期強度高的特點，在對結石體后期強度的齡期要求不超過3d時采用馬麗散注漿。對結石體后期強度的齡期要求超過14d 時采用水泥注漿，以降低注漿成本。當采用馬麗散注漿時，馬麗散與催化劑配合比：體積比1∶1，重量比1∶1.17。當采用水泥注漿時，按照水灰比1∶2配制水泥漿液，同時加水泥質量8%的ACZ—II 水泥注漿添加劑，水泥采用PO52.5。每根錨索的注漿量以實際注漿量為準，注漿壓力要求達到7MPa。

2.3 施工設備及工藝

當采用馬麗散注漿時，采用馬麗散廠家配備的化學漿液專用注漿泵。當采用水泥注漿時，選擇ZBQ-8/7 型礦用氣動注漿泵進行注漿加固。注漿設備的額定壓力都保持在8MPa以上，流量大于7L/min。

3 底板加強支護優化設計

底鼓的專項支護如圖2所示，超前工作面80m外在底板上開槽，埋設大板梁，大板梁采用直徑不小于200mm 的落葉松圓木將兩對稱面削平而成，板梁厚度不宜小于200mm，大板梁長度根據軌道巷實際寬度現場制作。大板梁一端緊靠實體煤幫，另一端緊貼柔模墻。大板梁兩端通過木板和木楔與墻（幫）楔緊，保證大板梁橫撐有力，限制墻體底部向巷內位移。大板梁上預留用于固定大柱鞋的限位裝置。當空間有限，施工整條大板梁困難時，可將工字鋼底梁與小段大板梁對接施工，兩端同樣與墻（幫）楔緊。

圖2 3406軌道巷支護優化設計橫斷面

4 其他輔助泄壓方式

在3406 工作面推進過程中應保證工期快速穩定，避免工作面長時間停產。因為在留巷復用期間，保持高效生產的工作面可以將頂板側懸臂快速甩入采空區，減輕周期來壓對軌道巷夾制作用。而且軌道巷圍巖經過多次采動作用，一般比較破碎，自穩能力差，流變性明顯，加快推進，可避免流變作用的時間累積效應，減少變形。同時針對2406 工作面提出以下開采建議：

（1）3406工作面調偽斜，在保證工作面正常生產條件下，可適當增加溜槽，最大限度地保證軌道巷超前運輸巷，超前距越大越好，減輕工作面來壓對軌道巷影響，從根源上優化軌道巷應力環境；

（2）調整3406 機尾側支架位態。一方面機尾側支架的初撐力不應低于工作阻力的70%，另一方面機尾側4 臺支架范圍內適當破底200～300mm，保證機尾側工作面高度，刻意形成軌道巷與工作面底板高差，增加軌道巷底板應力釋放通道。

（3）后續沿空留巷澆筑柔模砼墻時，墻體必須具有3°～5°迎山角，減輕留巷和復用期間的底鼓量。

（4）對于3406 工作面礦壓把不穩定的區域可以對底板進行增加卸壓措施。如圖3 所示，在3406 工作面軌道巷底板可采取大直徑卸壓鉆孔措施，改善巷道應力環境。圖3（a）為底板泄壓鉆孔縱斷面，鉆孔每排布置3 個鉆孔，排距不超過4m。鉆孔沿巷道中線對稱布置，中間孔沿巷道中線打設，俯角45°。圖3（b）為底板泄壓鉆孔橫斷面，兩側孔沿巷道底角打設，俯角45°，并向煤幫（采空區）內水平外甩45°。該卸壓鉆孔直徑不小于105mm，鉆孔深度h≥3m；卸壓孔孔口段500mm采用封孔材料封堵嚴實。

圖3 礦壓較大區域底板特殊泄壓

5 結論及建議

在3406 工作面持續推進的四個月過程中，運輸巷側工作面推進了510m，軌道巷正在進行留巷的復用，軌道巷側工作面推進了540m。巷道底鼓并無明顯特征，同時為掌握專項支護措施在巷道掘進過程中的實際效果，在3406 工作面運輸巷布置了監測斷面用于監測頂底及兩幫變形情況，巷道變形量曲線如圖4所示。掘進階段巷道在前60d變形量增加明顯，隨后進入穩定期，最終頂底板變形量為162mm，兩幫為138mm，整體變形較小。滿足礦井安全生產的要求，說明不對稱錨架補強支護結構能夠達到很好地控制圍巖變形的效果。在推進過程中，3406工作面處于偽斜狀態，采場頂板分區段垮落，覆巖懸頂面積減少超過60%，工作面來壓強度降低了40%，對復用巷道頂板管理有利。

圖4 工作面運輸側掘進階段巷道變形量曲線

總體可以看出，對頂底板進行的錨索注漿支護整體有效，3406 工作面復用巷道變形可控，基本滿足工作面安全生產要求。