特厚煤層臨近采空區動壓巷道支護技術研究

陳志平，杜 林

(山西西山晉興能源有限責任公司 斜溝煤礦，山西 太原 030001)

西山晉興能源有限責任公司斜溝煤礦13#煤層平均厚度13.88 m，屬于特厚煤層，采用綜采放頂煤工藝，順槽沿底掘送，為大斷面特厚頂煤全煤巷道。13#煤埋藏深度整體較淺，多數工作面屬于淺埋深開采范疇。另外，13#煤層強度較高，平均超過20 MPa，巷道掘采期間礦山壓力顯現很小，盡管受到最大水平主應力的影響，材料巷工作面側幫控制難度也很小，這與正在回采的同采區23112工作面材料巷顯現出的表象相吻合。由于礦井生產銜接組織，造成采區內最后一個區段23111工作面成為孤島工作面，巷道臨近采空區，受采空區的影響，巷道的穩定性會受到一定的影響，支護難度較大，因此必須予以考慮加強幫部支護。

23111工作面材料巷屬于正在掘進巷道，開始掘送巷道時，23101材料巷多處出現斷錨桿現象，特別是巷道出現鼓包和掉渣比較嚴重，巷道后期維護成本較大，所以作為相似情況的23111材料巷礦壓監測很有必要，礦壓監測報告評價該巷道支護初始設計的合理性，為該礦類似巷道掘進做指導。

錨桿支護施工質量檢測與礦壓監測是煤巷錨桿支護成套技術的重要組成部分。在23111材料巷掘進施工期間，對施工質量進行檢測，同時對巷道圍巖變形與破壞狀況、錨桿受力及大小進行了全面、系統地監測。

1 巷道支護

1.1 支護形式

23111材料巷掘進斷面形狀為矩形，斷面寬度5 200 mm，高度3 600 mm，掘進斷面積18.72 m2. 采用高預應力強力樹脂錨固錨桿錨索組合支護系統。巷道支護形式：錨索網。

1.2 支護安裝要求

1.2.1頂板支護

錨桿形式、規格及布置方式見圖1，圖2. 樹脂加長錨固，采用兩支錨固劑，一支規格為MSCK2380，一支規格為MSZ2380，理論錨固長度2 033 mm，鉆孔d 30 mm. 采用高強錨桿螺母M24×3，配合高強托板調心球墊和尼龍墊圈，托板采用拱型高強度托板，規格為150 mm×150 mm×10 mm，承載能力不低于325 kN. 錨桿預緊力矩≥300 N·m.

錨索形式和規格及布置方式見圖1，圖2. 采用1支MSCK2380和2支MSZ2380樹脂藥卷錨固，理論錨固長度2 928 mm；配300 mm×300 mm×14 mm型拱形高強度托板，及配套鎖具。 錨索預緊力張拉鎖定后為200 kN.

圖1 23111材料巷臨近采空區段支護圖

圖2 23111材料巷采空區段頂部支護圖

1.2.2兩幫支護

1) 工作面幫。

錨桿形式、規格及布置方式見圖3. 樹脂錨固，采用一支錨固劑，規格為MSZ2380，理論錨固長度845 mm，鉆孔d30 mm. 錨桿預緊力矩≥40 N·m.

圖3 23111材料巷采空區段工作面幫支護圖

2) 臨近采空區煤幫。

錨桿形式、規格及布置方式見圖4. 樹脂錨固，采用一支錨固劑，規格為MSZ2380，理論錨固長度1 013 mm，鉆孔d 30 mm. 采用高強錨桿螺母M24×3，配合高強托板調心球墊和尼龍墊圈。托板采用拱型高強度托板，規格為150 mm×150 mm×10 mm，承載能不低于325 kN. 錨桿預緊力矩≥180 N·m.

圖4 23111材料巷采空區段煤柱幫支護圖

2 23111材料巷臨近采空區段礦壓監測結果及分析

在23111材料巷臨近采空區段掘進進程中，對巷道掘進現場支護進行了綜合監測和日常監測。綜合監測的目的是驗證或修正錨桿支護初始設計，評價和調整支護初始設計；日常監測的目的是及時發現異常情況，采取必要措施，保證巷道安全。

2.1 巷道表面位移

在23111材料巷臨近采空區段設置了一個測站監測掘進期間巷道的位移狀況，測站設置在巷道里程940 m處，分別監測巷道左幫、右幫和頂底板位移量狀況。巷道表面位移監測數據見表1，巷道斷面巷道位移折線圖見圖5.

表1 巷道表面位移監測數據表

由表1及圖5分析可知：

測站斷面的巷道頂板的最大下沉量為16 mm，底鼓量為14 mm，巷道掘進高度為3 705 mm，頂底板變形量占掘高的0.80%；兩幫最大移近量為35 mm，掘進寬度為5 260 mm，兩幫移近量占掘寬的0.66%.

由表1表明，巷道兩幫的最大變形量為35 mm，頂底板的最大變形量為30 mm. 可以看出，兩幫以及頂板都沒有太大變形。巷道的變形量主要集中在掘進工作面50 m范圍內，在巷道剛開挖時，圍巖應力重新分配，在此過程中巷道的變形速度也較快，巷道的變形量主要受到掘進的應力重分配的影響，巷道的變形量很小，頂板較完整，巷道圍巖基本上處于穩定狀態。

圖5 巷道斷面巷道位移折線圖

2.2 巷道錨桿(索)受力監測

在23111材料巷中設置了一組測站以監測錨桿(索)載荷的變化狀況，測站設置在材料巷里程940 m處，測站處錨桿(索)的受力數據表和受力折線變化圖見圖6，圖7. 測站錨桿(索)的受力數據表見表2.

圖6 錨桿受力折線圖

圖7 錨索受力折線圖

表2 測站錨桿(索)的受力數據表

錨桿預緊力矩的大小對頂板穩定性具有決定性的作用。支護設計中要求頂部錨桿預緊力矩都達到300 N·m以上，幫部錨桿預緊力矩都達到180 N·m以上，錨索預緊力要求達到200 kN.錨桿預緊力設計的原則是控制圍巖不出現明顯的離層、滑動和拉應力區，一般可選擇錨桿桿體屈服載荷的30%～50%作為錨桿預緊力的取值。由于支護是采用桿體d 22 mm的左旋無縱筋螺紋鋼錨桿，鋼號400#的錨桿，其桿體屈服力為151.98 kN，計算其錨桿預緊力取值在45.59～75.98 kN較為合理，通過日常監測發現，在施工過程中，基本按照設計對錨桿施加了足夠的預緊力，當然存在個別錨桿初始預緊力施加不足，通過安裝的錨桿(索)測力計監測數據。由表2及圖6，7分析可知：

頂板錨桿和錨索在施加完預緊力后，錨桿的軸向力分別為45.84 kN、49.59 kN、67.83 kN、46.40 kN、39.09 kN、54.10 kN、38.99 kN，錨索的軸向力分別為205.67 kN和148.09 kN，測站幫部錨桿在施加完預緊力后，錨桿的軸向力為39.73 kN、69.64 kN、37.99 kN和42.64 kN，部分錨桿預緊力水平較低。在此后檢測中錨桿壓力表和錨索壓力表示值的增加以及趨向平穩說明巷道掘進對圍巖應力重分配達到平衡狀態的演變，同時，也說明部分錨桿的預緊力初始施加存在不足。

通過監測可以發現，錨桿(索)的預緊力矩在施工期間大部分達到設計要求，結合巷道表面位移監測數據和頂板離層儀表明，頂板圍巖基本處于穩定狀態。在以后施工中錨桿(索)的預緊力仍待提高，應克服地質條件的影響因素，重視幫錨桿預緊力。

2.3 巷道頂板離層監測

對該巷道里程930 m安設的1個頂板離層儀進行了日常監測。頂板離層儀安裝完畢后，深基點初始值為0，淺基點初始值為0，在掘進過程中，沒有出現明顯的變化。

從日常觀測數據可以看出，深基點和淺基點示值并未出現明顯的增長，結合巷道表面頂板位移監測結果，說明頂板在掘進過程中沒有出現離層，這是由于高預緊力的及時施加。由于所測地段巷道并沒有經歷過回采動壓的影響，單純是在掘進期間，頂板圍巖基本趨于穩定。

3 結 論

1) 臨近采空區動壓巷道掘進送巷期間，從巷道整體變形看出，頂板的變形量較小，保持了較好的完整性，而變形主要是幫部和底板。

2) 頂板明顯松動破壞區域主要位于頂板的淺部，基本在2.4 m范圍內，此范圍內煤層裂隙發育明顯，出現了松動破壞的現象，目前所用錨桿長度為2.6 m，除去錨桿外露長度，可以看出頂板錨桿范圍內巖層出現了破壞現象，如果錨索托盤陷入煤體或者無法壓實煤體，失去效果，需要進行補強加固措施，即便是對頂板進行補強加固，補打錨桿效果將不明顯，需要補打錨索。

3) 煤幫的破壞范圍也主要位于煤體表面，測試為0～1.3 m煤幫破碎，兩幫的移近是造成巷道底鼓最主要的原因，如果支護構件的護表面積小，護表強度低，則煤幫在變形后很難繼續控制煤體的進一步破壞發展，加劇底鼓。

4) 臨近采空區的殘余支承壓力是導致該巷道變形的主要原因，而對于臨近采空區的強烈動壓巷道，需加強對兩幫圍巖的控制，特別是對于煤柱側巷幫，防止煤柱的進一步破碎，降低承載能力。提高幫部錨桿支護的護表面積，提高預緊力，擴大預緊力的擴散范圍能夠有效地控制幫部巖體的變形，同時降低“起錨”高度，防止兩幫底角擠壓引起底鼓。