高應力集中區域沿空掘巷支護的研究與實踐

董清旺　和吉敏

摘 要：紅陽二礦為了保證礦井正常生產接續，安全高效發展，在西三采區7煤工作面的高應力集中區域沿空掘巷，通過優化巷道支護設計，取得了良好的實踐效果，具有良好的推廣前景。

關鍵詞：高應力 巷道 支護技術

中圖分類號：TD52 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2014）02（a）-0114-02

紅陽二礦西三采區七煤煤層走向長1.08 km，傾斜方向1.67 km，自北向南傾斜，采區軌道巷、回風巷、集中運煤巷沿煤層的邊緣布置，采場布置為單翼開采，共講可設計采面5個走向長壁式采面，設計開采順序沿傾斜依次為3700～3705。因為采面為依次開采，形成了采面后退采煤與掘進前掘相向進行的局面。又因為最大限度的回收煤炭資源，減少煤柱的占煤量，且必須考慮上一采面老空水的危害，我礦確定了下一采面的回順與上一采面的保留10 m煤柱布置，根據大量的科學依據及我礦歷史資料顯示，10 m煤柱為我礦應力集中區域，因此采掘相向施工時，巷道收斂、變形量很大，十分必要對巷道的支護進行優化，為安全高效的進行煤炭生產活動提供技術支持。

1 巷道受力變形特征及原因分析

（1）巷道變形的特征：在應力集中區內開掘的巷道受上鄰近采空區的影響較明顯，尤其是回采過程中表現最為突出。在采用常規支護的方案時，往往是掘進期間巷道圍巖變形量小于采場開采后的變形量。采動影響后，巷道圍巖變形明顯加大；相對于底板移近量，圍巖變形主要以兩幫為主，變形特征主要向巷內擠入。在掘進期間，左、右幫移近量基本一致，巷道變形在距掘進工作面50 m后趨于穩定。在回采期間，煤柱側幫移近量明顯大于另一幫。在頂底板移近量中，而在受采動影響時，巷道底鼓明顯大于頂板下沉。

（2）巷道變形破壞的原因：主要是以鄰近采空區應力集中的影響。我礦回采工作面的回順（或運順）為沿空掘巷，掘進巷道與上一區段采場煤柱為10 m。受采空區影響巷道布置鄰近采空區的應力集中區的最高點。掘巷前后應力分布圖見圖1。

1——掘巷前應力分布；2——掘巷后應力分布；

I—松散區；Ⅱ—松馳區；Ⅲ—塑性區；Ⅳ—彈性區應力升高部分；Ⅴ—原始應力區；

x-KB0

U=k1e-λ（__________________）+ u0

B0

式中：

u——巷道圍巖相對移近量，mm；x——護巷煤柱寬度，m； B0——能使巷道保持穩定狀態的煤柱最小寬度，m；

u0——沒有側向支承壓力影響時巷道圍巖相對移近量，mm；K1、λ——待定系數；K——系數，K取1/3—1/5；

由該公式可以得出u—x的曲線關系圖，如圖2。由此可見圍巖變形在煤柱寬度10 m左右存在最大值。因此說主要影響來自采空區的應力集中。巷道變形與護巷煤柱寬度的曲線圖見圖2。

2 常規支護技術的優化

2.1 常規支護技術存在的主要問題

主要問題是關鍵部位支護強度不夠。受高應力的影響，支護體首先在較為薄弱的地方（即巷道支護關鍵部位）出現過量變形、巖石松動和破壞，進而形成破碎區。原來的常規支護忽視了對底膨的治理，兩底腳的錨桿均為長度2.1 m左旋無縱筋螺紋鋼錨桿進行支護。對于兩幫沒有針對受垂直壓力向內擠入、防潰幫進行特殊支護。優化前巷道支護斷面圖見圖3。

2.2 常規支護的優化

支護工藝流程：巷道掘進→頂板支護→打注幫錨桿進行護→巷道前掘30米后打煤柱幫錨索進行支護補強。

頂板支護：矩形Φ12.5 mm×4.9 m鋼絲繩鋼帶組合錨桿支護，并進行錨索補強?！?0 mm長2400 mm的右旋無縱筋螺等強錨桿，錨桿間排距800 mm×800 mm。金屬網采用10#鐵線編制成，網孔70×80 mm，其規格為5×1.1 m。錨索選用7股17.8 mm×5000 mm的鋼絞線扭制成，間排距2400 mm×800 mm。配用12#礦用工字鋼或U型鋼加工成的托盤，托盤長度250～300 mm。錨桿托盤選用7 mm厚鋼板制成，規格120×120 mm，中孔21 mm。錨索采用3支Z2350樹脂藥卷，錨桿采用2支Z2350樹脂藥卷進行錨固。

幫支護：每側幫3根長∮20 mm長2100 mm左旋無縱筋螺等強錨桿。兩底腳錨桿支護加長至2.4 m。煤柱幫采用兩根錨索與矩形Φ12.5 mm×4.9 m鋼絲繩鋼帶組合補強。錨桿間排距800 mm×800 mm。優化后巷道支護斷面圖見圖4。

3 效果檢驗

為了檢驗優化支護方案的支護效果，在巷道中布置每50 m布置一個圍巖表面位移監測斷面，每20 d監測一次，共監測120 d，監測結果見圖4所示。從圖中可以看出，巷道的頂板下沉量、底臌量、兩幫位移量和頂底板位移量都不是很大，通過與常規支護的監測數據比對：其中頂板的下沉量與優化前無顯著變化。兩幫的底腳錨桿的加長有效的控制了底臌，底臌量由由優化前的最大350 mm，降至292 mm。兩幫位移量由優化前的最大604 mm，降至267 mm。煤柱側幫由優化前的338 mm降至145 mm，由此可見優化支護方案提高了支護結構的整體性和支撐能力，有效地控制了采空區高應力集中區域對巷道的破壞，大大減少了巷道維護量保證了巷道的穩定和礦井的正常生產。優化支護前后巷道變形量監測圖見圖5。

4 結語

采空區影響下的高應力集中區域內巷道的支護是一個時間、空間上的問題，即在巷道的變形過程中采用合理的支護方式進行適時支護，巷道支護的成功與否，與每個支護措施的支護順序、位置、時間緊密相關，每個環節都很重要。針對我礦主要采用的沿空掘巷，在回采過程由于動壓所產生的前支撐壓力以及側支撐壓力，對巷道的破壞，通過優化巷道支護設計能夠有效的控制巷道的收斂變形，取得了良好的實踐效果。endprint

摘 要：紅陽二礦為了保證礦井正常生產接續，安全高效發展，在西三采區7煤工作面的高應力集中區域沿空掘巷，通過優化巷道支護設計，取得了良好的實踐效果，具有良好的推廣前景。

關鍵詞：高應力 巷道 支護技術

中圖分類號：TD52 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2014）02（a）-0114-02

紅陽二礦西三采區七煤煤層走向長1.08 km，傾斜方向1.67 km，自北向南傾斜，采區軌道巷、回風巷、集中運煤巷沿煤層的邊緣布置，采場布置為單翼開采，共講可設計采面5個走向長壁式采面，設計開采順序沿傾斜依次為3700～3705。因為采面為依次開采，形成了采面后退采煤與掘進前掘相向進行的局面。又因為最大限度的回收煤炭資源，減少煤柱的占煤量，且必須考慮上一采面老空水的危害，我礦確定了下一采面的回順與上一采面的保留10 m煤柱布置，根據大量的科學依據及我礦歷史資料顯示，10 m煤柱為我礦應力集中區域，因此采掘相向施工時，巷道收斂、變形量很大，十分必要對巷道的支護進行優化，為安全高效的進行煤炭生產活動提供技術支持。

1 巷道受力變形特征及原因分析

（1）巷道變形的特征：在應力集中區內開掘的巷道受上鄰近采空區的影響較明顯，尤其是回采過程中表現最為突出。在采用常規支護的方案時，往往是掘進期間巷道圍巖變形量小于采場開采后的變形量。采動影響后，巷道圍巖變形明顯加大；相對于底板移近量，圍巖變形主要以兩幫為主，變形特征主要向巷內擠入。在掘進期間，左、右幫移近量基本一致，巷道變形在距掘進工作面50 m后趨于穩定。在回采期間，煤柱側幫移近量明顯大于另一幫。在頂底板移近量中，而在受采動影響時，巷道底鼓明顯大于頂板下沉。

（2）巷道變形破壞的原因：主要是以鄰近采空區應力集中的影響。我礦回采工作面的回順（或運順）為沿空掘巷，掘進巷道與上一區段采場煤柱為10 m。受采空區影響巷道布置鄰近采空區的應力集中區的最高點。掘巷前后應力分布圖見圖1。

1——掘巷前應力分布；2——掘巷后應力分布；

I—松散區；Ⅱ—松馳區；Ⅲ—塑性區；Ⅳ—彈性區應力升高部分；Ⅴ—原始應力區；

x-KB0

U=k1e-λ（__________________）+ u0

B0

式中：

u——巷道圍巖相對移近量，mm；x——護巷煤柱寬度，m； B0——能使巷道保持穩定狀態的煤柱最小寬度，m；

u0——沒有側向支承壓力影響時巷道圍巖相對移近量，mm；K1、λ——待定系數；K——系數，K取1/3—1/5；

由該公式可以得出u—x的曲線關系圖，如圖2。由此可見圍巖變形在煤柱寬度10 m左右存在最大值。因此說主要影響來自采空區的應力集中。巷道變形與護巷煤柱寬度的曲線圖見圖2。

2 常規支護技術的優化

2.1 常規支護技術存在的主要問題

主要問題是關鍵部位支護強度不夠。受高應力的影響，支護體首先在較為薄弱的地方（即巷道支護關鍵部位）出現過量變形、巖石松動和破壞，進而形成破碎區。原來的常規支護忽視了對底膨的治理，兩底腳的錨桿均為長度2.1 m左旋無縱筋螺紋鋼錨桿進行支護。對于兩幫沒有針對受垂直壓力向內擠入、防潰幫進行特殊支護。優化前巷道支護斷面圖見圖3。

2.2 常規支護的優化

支護工藝流程：巷道掘進→頂板支護→打注幫錨桿進行護→巷道前掘30米后打煤柱幫錨索進行支護補強。

頂板支護：矩形Φ12.5 mm×4.9 m鋼絲繩鋼帶組合錨桿支護，并進行錨索補強?！?0 mm長2400 mm的右旋無縱筋螺等強錨桿，錨桿間排距800 mm×800 mm。金屬網采用10#鐵線編制成，網孔70×80 mm，其規格為5×1.1 m。錨索選用7股17.8 mm×5000 mm的鋼絞線扭制成，間排距2400 mm×800 mm。配用12#礦用工字鋼或U型鋼加工成的托盤，托盤長度250～300 mm。錨桿托盤選用7 mm厚鋼板制成，規格120×120 mm，中孔21 mm。錨索采用3支Z2350樹脂藥卷，錨桿采用2支Z2350樹脂藥卷進行錨固。

幫支護：每側幫3根長∮20 mm長2100 mm左旋無縱筋螺等強錨桿。兩底腳錨桿支護加長至2.4 m。煤柱幫采用兩根錨索與矩形Φ12.5 mm×4.9 m鋼絲繩鋼帶組合補強。錨桿間排距800 mm×800 mm。優化后巷道支護斷面圖見圖4。

3 效果檢驗

為了檢驗優化支護方案的支護效果，在巷道中布置每50 m布置一個圍巖表面位移監測斷面，每20 d監測一次，共監測120 d，監測結果見圖4所示。從圖中可以看出，巷道的頂板下沉量、底臌量、兩幫位移量和頂底板位移量都不是很大，通過與常規支護的監測數據比對：其中頂板的下沉量與優化前無顯著變化。兩幫的底腳錨桿的加長有效的控制了底臌，底臌量由由優化前的最大350 mm，降至292 mm。兩幫位移量由優化前的最大604 mm，降至267 mm。煤柱側幫由優化前的338 mm降至145 mm，由此可見優化支護方案提高了支護結構的整體性和支撐能力，有效地控制了采空區高應力集中區域對巷道的破壞，大大減少了巷道維護量保證了巷道的穩定和礦井的正常生產。優化支護前后巷道變形量監測圖見圖5。

4 結語

采空區影響下的高應力集中區域內巷道的支護是一個時間、空間上的問題，即在巷道的變形過程中采用合理的支護方式進行適時支護，巷道支護的成功與否，與每個支護措施的支護順序、位置、時間緊密相關，每個環節都很重要。針對我礦主要采用的沿空掘巷，在回采過程由于動壓所產生的前支撐壓力以及側支撐壓力，對巷道的破壞，通過優化巷道支護設計能夠有效的控制巷道的收斂變形，取得了良好的實踐效果。endprint

摘 要：紅陽二礦為了保證礦井正常生產接續，安全高效發展，在西三采區7煤工作面的高應力集中區域沿空掘巷，通過優化巷道支護設計，取得了良好的實踐效果，具有良好的推廣前景。

關鍵詞：高應力 巷道 支護技術

中圖分類號：TD52 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2014）02（a）-0114-02

紅陽二礦西三采區七煤煤層走向長1.08 km，傾斜方向1.67 km，自北向南傾斜，采區軌道巷、回風巷、集中運煤巷沿煤層的邊緣布置，采場布置為單翼開采，共講可設計采面5個走向長壁式采面，設計開采順序沿傾斜依次為3700～3705。因為采面為依次開采，形成了采面后退采煤與掘進前掘相向進行的局面。又因為最大限度的回收煤炭資源，減少煤柱的占煤量，且必須考慮上一采面老空水的危害，我礦確定了下一采面的回順與上一采面的保留10 m煤柱布置，根據大量的科學依據及我礦歷史資料顯示，10 m煤柱為我礦應力集中區域，因此采掘相向施工時，巷道收斂、變形量很大，十分必要對巷道的支護進行優化，為安全高效的進行煤炭生產活動提供技術支持。

1 巷道受力變形特征及原因分析

（1）巷道變形的特征：在應力集中區內開掘的巷道受上鄰近采空區的影響較明顯，尤其是回采過程中表現最為突出。在采用常規支護的方案時，往往是掘進期間巷道圍巖變形量小于采場開采后的變形量。采動影響后，巷道圍巖變形明顯加大；相對于底板移近量，圍巖變形主要以兩幫為主，變形特征主要向巷內擠入。在掘進期間，左、右幫移近量基本一致，巷道變形在距掘進工作面50 m后趨于穩定。在回采期間，煤柱側幫移近量明顯大于另一幫。在頂底板移近量中，而在受采動影響時，巷道底鼓明顯大于頂板下沉。

（2）巷道變形破壞的原因：主要是以鄰近采空區應力集中的影響。我礦回采工作面的回順（或運順）為沿空掘巷，掘進巷道與上一區段采場煤柱為10 m。受采空區影響巷道布置鄰近采空區的應力集中區的最高點。掘巷前后應力分布圖見圖1。

1——掘巷前應力分布；2——掘巷后應力分布；

I—松散區；Ⅱ—松馳區；Ⅲ—塑性區；Ⅳ—彈性區應力升高部分；Ⅴ—原始應力區；

x-KB0

U=k1e-λ（__________________）+ u0

B0

式中：

u——巷道圍巖相對移近量，mm；x——護巷煤柱寬度，m； B0——能使巷道保持穩定狀態的煤柱最小寬度，m；

u0——沒有側向支承壓力影響時巷道圍巖相對移近量，mm；K1、λ——待定系數；K——系數，K取1/3—1/5；

由該公式可以得出u—x的曲線關系圖，如圖2。由此可見圍巖變形在煤柱寬度10 m左右存在最大值。因此說主要影響來自采空區的應力集中。巷道變形與護巷煤柱寬度的曲線圖見圖2。

2 常規支護技術的優化

2.1 常規支護技術存在的主要問題

主要問題是關鍵部位支護強度不夠。受高應力的影響，支護體首先在較為薄弱的地方（即巷道支護關鍵部位）出現過量變形、巖石松動和破壞，進而形成破碎區。原來的常規支護忽視了對底膨的治理，兩底腳的錨桿均為長度2.1 m左旋無縱筋螺紋鋼錨桿進行支護。對于兩幫沒有針對受垂直壓力向內擠入、防潰幫進行特殊支護。優化前巷道支護斷面圖見圖3。

2.2 常規支護的優化

支護工藝流程：巷道掘進→頂板支護→打注幫錨桿進行護→巷道前掘30米后打煤柱幫錨索進行支護補強。

頂板支護：矩形Φ12.5 mm×4.9 m鋼絲繩鋼帶組合錨桿支護，并進行錨索補強?！?0 mm長2400 mm的右旋無縱筋螺等強錨桿，錨桿間排距800 mm×800 mm。金屬網采用10#鐵線編制成，網孔70×80 mm，其規格為5×1.1 m。錨索選用7股17.8 mm×5000 mm的鋼絞線扭制成，間排距2400 mm×800 mm。配用12#礦用工字鋼或U型鋼加工成的托盤，托盤長度250～300 mm。錨桿托盤選用7 mm厚鋼板制成，規格120×120 mm，中孔21 mm。錨索采用3支Z2350樹脂藥卷，錨桿采用2支Z2350樹脂藥卷進行錨固。

幫支護：每側幫3根長∮20 mm長2100 mm左旋無縱筋螺等強錨桿。兩底腳錨桿支護加長至2.4 m。煤柱幫采用兩根錨索與矩形Φ12.5 mm×4.9 m鋼絲繩鋼帶組合補強。錨桿間排距800 mm×800 mm。優化后巷道支護斷面圖見圖4。

3 效果檢驗

為了檢驗優化支護方案的支護效果，在巷道中布置每50 m布置一個圍巖表面位移監測斷面，每20 d監測一次，共監測120 d，監測結果見圖4所示。從圖中可以看出，巷道的頂板下沉量、底臌量、兩幫位移量和頂底板位移量都不是很大，通過與常規支護的監測數據比對：其中頂板的下沉量與優化前無顯著變化。兩幫的底腳錨桿的加長有效的控制了底臌，底臌量由由優化前的最大350 mm，降至292 mm。兩幫位移量由優化前的最大604 mm，降至267 mm。煤柱側幫由優化前的338 mm降至145 mm，由此可見優化支護方案提高了支護結構的整體性和支撐能力，有效地控制了采空區高應力集中區域對巷道的破壞，大大減少了巷道維護量保證了巷道的穩定和礦井的正常生產。優化支護前后巷道變形量監測圖見圖5。

4 結語

采空區影響下的高應力集中區域內巷道的支護是一個時間、空間上的問題，即在巷道的變形過程中采用合理的支護方式進行適時支護，巷道支護的成功與否，與每個支護措施的支護順序、位置、時間緊密相關，每個環節都很重要。針對我礦主要采用的沿空掘巷，在回采過程由于動壓所產生的前支撐壓力以及側支撐壓力，對巷道的破壞，通過優化巷道支護設計能夠有效的控制巷道的收斂變形，取得了良好的實踐效果。endprint