綜放開采沿空巷道圍巖變形支護技術的研究

許 峰

（山西汾西礦業(yè)集團孝義煤礦管理分公司，山西 孝義 032300）

引言

如今厚煤層占已探明煤炭資源儲量的45%左右，厚煤層普遍采用綜放開采方式[1-2]。為了提高煤炭采收率，部分礦井放棄傳統(tǒng)的寬煤柱護巷方式改為窄煤柱沿空留巷[3]。但是采用此種沿空留巷時受到巷道斷面大、煤柱寬度窄以及采動動壓顯現(xiàn)明顯等因素影響，巷道圍巖變形控制難度較大，采用傳統(tǒng)的巷道支護方式難以滿足巷道圍巖控制需要[4-6]。為此，文中以山西某礦31507 沿空留巷（回風巷）巷道為工程背景，對采取的巷道支護技術進行探討，以期能為其他礦井類似情況下巷道支護提供參考。

1 工程概況

31507 工作面回采的15 號煤厚度6.8 m、傾角3.9°，采用綜放開采工藝，采放比為1∶1.8。31507采面設計走向、傾向長度分別為1 680 m、265m。為了提高煤炭回收率，提出將31507 回風巷與鄰近31505 采空區(qū)間保留8 m 寬護巷煤柱，31507 回風巷斷面為矩形（凈高、凈寬分別為5.4 m、3.5 m），沿著15 號煤層底板掘進。

現(xiàn)階段31507 回風巷已掘進405 m，支護方式為：頂板6 根錨桿（Φ18 mm×2 000 mm）、2 根錨索（Φ17.8 mm×8 400 mm），巷幫布置3 根錨桿（Φ18 mm×2 000 mm）并在窄煤柱幫增加布置2 根錨索（規(guī)格為Φ17.8 mm×6 300 mm）以提高煤柱抗變形能力。

但是在巷道已掘進范圍內(nèi)巷道呈現(xiàn)較大的變形，具體表現(xiàn)為頂板破碎、下沉以及巷幫收斂，底板未有明顯底鼓發(fā)生。具體在巷道已掘進的350 m 位置巷幫變形現(xiàn)場圖見圖1。

圖1 350 m 位置巷幫變形現(xiàn)場圖

2 沿空留巷圍巖變形特點分析

2.1 沿空留巷圍巖松動圈范圍測試

圍巖松動圈具體指巷道圍巖形成的破碎帶，松動圈是評價巷道圍巖穩(wěn)定性的主要指標。采用現(xiàn)場實測法對31507 回風巷圍巖松動圈分布范圍進行測試，在已掘進巷道內(nèi)每隔100 m 布置測站測定松動圈范圍，具體測點布置見圖2?，F(xiàn)場測定的松動圈分布范圍見下頁表1。

表1 松動圈范圍

圖2 圍巖松動圈測站布置圖

從表1 看出，31507 回風巷在原有的巷道支護參數(shù)下頂板、巷幫松動圈最大發(fā)育范圍分別達到2.9 m、2.5 m。31507 回風巷頂板高度約為2.9 m，頂板松動圈范圍已經(jīng)發(fā)育到煤層頂板。同時在窄煤柱幫松動圈分布范圍明顯高于實體煤幫。通過巷道圍巖變形以及松動圈測試表明，31507 回風巷原采用的支護技術難以滿足留巷段圍巖控制需要。

2.2 巷道圍巖變形特點

通過對留巷段圍巖變形分析發(fā)現(xiàn)，留巷段圍巖變形主要集中在窄煤柱幫及靠近窄煤柱板頂板位置，具體圍巖變形有下述特點[7]：

1）31507 回風巷頂板為砂質(zhì)泥巖。當回風巷頂板支護強度不足或者受到動壓影響時，頂板巖層容易出現(xiàn)嚴重變形。

2）巷道開挖后導致圍巖應力重新分布，作用到頂板上的垂向應力向巷道巷幫位置轉移，加之鄰近采空區(qū)側向應力影響，導致巷幫出現(xiàn)一定程度應力集中的現(xiàn)象。其中窄煤柱留設寬度僅為8.0 m，煤柱本身承載能力較小，在較高應力作用下更容易出現(xiàn)變形破壞。

3）31507 回風巷凈寬、凈高分別為5 400 mm、3 600 mm，巷道跨度較大，頂板拉應力較高，加之巷道頂板巖體強度本身較低，導致頂板在應力作用下更容易出現(xiàn)離層變形。

3 沿空留巷巷道支護優(yōu)化

3.1 支護參數(shù)設計

針對31507 回風巷已掘進段圍巖變形特征，為了確保巷道掘進期間圍巖穩(wěn)定，在巷道后續(xù)掘進時對圍巖支護參數(shù)進行針對性優(yōu)化，通過優(yōu)化頂板錨索以及巷幫錨桿布置來實現(xiàn)對留巷段圍巖變形控制目的，具體優(yōu)化后的巷道支護設計見圖3。

圖3 優(yōu)化后的巷道支護設計圖（未標注單位：mm）

1）實體煤幫。根據(jù)留巷段圍巖松動圈測試結果顯著，實體煤幫最大松動圈分布范圍達到2.5 m，而巷道巷幫原采用的錨桿長度僅為2 000 mm，錨桿長度在松動范圍內(nèi)，無法起到有效減少巷幫收斂的目的。為此，將實體煤幫錨桿規(guī)格由Φ18 mm×2 000 mm 改為Φ20 mm×2 600 mm，通過增加錨桿長度來提高圍巖控制效果。同時將實體煤幫錨桿數(shù)量由3根增加至4 根，間排距優(yōu)化為900 mm×900 mm，同時靠近頂板以及巷幫的錨桿均外插15°角。保持錨索原有的支護參數(shù)不變

2）窄煤柱幫。將窄煤柱錨桿由Φ18 mm×2 000 mm 改為Φ20 mm×2 400 mm，同時靠近頂板以及巷幫的錨桿均外插15°角。錨桿數(shù)量由3 根改為4根。

3）頂板支護。頂板錨索由原支護的2 根改為3根，選用的錨索規(guī)格保持不變。錨索在靠近巷幫200 mm 位置以及頂板中部各布置一根，靠近巷板錨索有15°外插角。頂板錨桿數(shù)量以及間排距保持不變，將靠近巷幫的2 根錨桿由原有的垂直頂板布置改外外插15°角。頂板錨桿、錨索均采用鋼筋梯子梁進行連接。

3.2 圍巖支護效果分析

對支護參數(shù)優(yōu)化后的巷道圍巖變形進行測定，具體結果見圖4 所示。從圖中看出，巷道掘進完成80 d 后圍巖變形量基本區(qū)域穩(wěn)定，此時頂板、實體煤幫以及窄煤柱幫變形量分別控制在32 mm、41 mm、66 mm，圍巖變形量整體較小。

圖4 巷道變形測定結果

4 結論

1）31507 回風巷為沿空巷道，受到巷道掘進斷面大、圍巖承載能力差以及支護參數(shù)設計不合理等因素影響，導致巷道圍巖出現(xiàn)較大變形。為此，提出以強化幫角位置巖體變形為核心的圍巖支護優(yōu)化方案。

2）對31507 沿空巷道圍巖支護參數(shù)進行優(yōu)化設計，應用后窄煤柱、實體煤柱最大收變形量分別控制在41 mm、66 mm 以內(nèi)，頂板下沉量控制在32 mm 以內(nèi)，有效對沿空巷道圍巖變形進行控制，取得了較為顯著應用效果。