東曲礦綜采工作面小煤柱留巷支護技術研究

姬少盼

（西山煤電集團公司東曲礦，山西 古交 030200）

煤礦開采深度和強度不斷增加，出現了大量深部高應力、強采動及沖擊地壓等威脅的巷道，支護難度大，維護成本高，成為嚴重制約礦井安全、高效生產的技術瓶頸。鑒于巷道支護難度逐步加大，東曲礦為解決采掘接替緊張局面，采用沿空留巷及小煤柱留巷支護技術。

以東曲礦28203工作面巷道小煤柱留巷為工程背景，通過力學參數測試和模擬數值計算出小煤柱留巷的巷道圍巖應力分布情況，提出了東曲礦小煤柱留巷的巷道支護技術方案，留設合理煤柱寬度前提下，設計出高預應力強力錨桿支護技術方案，現場試驗和監測結果表明，在毗鄰的28202工作面回采后，巷道變形量仍滿足技術要求，有效解決了東曲礦小煤柱留巷支護難題。

1 概況

東曲礦28203工作面開采4號煤層，煤層平均厚度3.2 m，煤層平均傾角4.5°，強度平均值為12.09MPa，該煤層頂板為復合型頂板。28203工作面臨近3號煤層部分已回采，巷道為煤柱留巷巷道，凈煤柱寬8m，臨近28206工作面回采過程中，28203工作面巷道嚴重變形，兩幫位移達1600mm，底鼓超400mm，增加巷道維修頻率和成本，并對礦井接替、安全生產造成嚴重影響。為此，在28203工作面試驗小煤柱留巷巷道支護技術，解決巷道變形嚴重和支護難題。該巷道頂底板綜合地質柱狀如表1所示。

表1 巷道頂底板綜合地質柱狀

通過對28203工作面巷道地應力及頂板巖層強度監測，該巷道水平主應力平均值為11.36MPa，垂直主應力值為9.67MPa，水平主應力方向為NW15°，屬構造運動而產生的地應力場。通過巷道頂板圍巖強度測試顯示頂板巖層強度較高。

2 28203巷數值模擬

針對28203工作面巷道的地質條件，采用數值計算軟件FLAC3D分析28203上巷掘進和回采過程中巖體的應力分布、位移變化規律，設計出巷道支護技術方案。

建立數值計算模型，對28203工作面回采后煤柱內圍巖應力分布情況進行分析。

煤柱內圍巖應力持續增加，垂直應力值31.26MPa大于原巖應力值9.89MPa，應力集中系數2.61。可見巷道處在圍巖垂直應力增高區，必須采用高預應力強力錨桿錨索支護技術，才能有效控制巷道圍巖應力，減少對巷道的形變破壞。

3 28203工作面巷道支護

降低圍巖應力，增加圍巖強度，改善圍巖受力條件是減小塑性破壞區范圍，有效控制圍巖變形、破壞的關鍵。28203工作面巷道為復用巷道，巷道支護應選用長度2.3m的Φ28mm左旋無縱筋螺紋鋼錨桿，并采用厚度4mm的W型鋼帶護板構件來增加保護表面積。降低錨桿尾部應力集中和預應力損失，減少圍巖形變。巷道支護設計圖見圖2。

（1）錨桿。頂板錨桿采用屈服強度500MPa的高強度左旋無縱筋螺紋鋼錨桿，樹脂加長錨固，預緊扭矩達到350N·m，但禁止超過500N·m。煤幫采用圓鋼錨桿，樹脂端部錨固，在頂板及煤幫形成剛度較大預應力承載結構，發揮主動支護作用。

圖2 巷道支護設計

（2）錨索。錨索采用Φ28mm高強度低松弛預應力鋼絞線，鉆孔直徑32mm，錨索初次張拉達350kN，并采用樹脂錨固劑錨固，起到補強支護效果。與錨桿形成剛度較大預應力承載結構與深部圍巖相連，提高預應力承載結構的穩定性。

（3）W型鋼護板。配套使用厚度4mm的W型鋼護板增強護表構件強度，可將錨桿預緊力快速分散到圍巖內，降低圍巖自身承載能力。

（4）金屬支護網。采用網孔50mm×50mm，規格4500mm×1000mm的金屬支護網護頂護幫，雙邊逐孔鏈接。

（5）頂板支護：錨桿排距850mm，間距900mm，并用礦用金屬支護網來聯合護頂，每根錨桿采用2節Z2360型中速樹脂錨固劑。錨索長6.5m的Φ28mm高強度低松弛預應力鋼絞線，托板為400×400×16mm的可調心托板，承載力達600kN。錨索每排2根，排距900mm，間距1900mm，垂直頂板巖層，錨索預應力不小于350kN。

（6）幫巷支護：錨桿排距800mm，間距800mm，預緊扭矩不小于300N·m。每2排錨桿打設4根錨索，長度4600mm，排距2000mm，間距1500mm，錨索預應力不小于350kN。

4 礦壓監測與數據分析

28203工作面巷道掘進期間，對礦壓和錨桿錨索受力情況進行監測與數據分析。如圖3所示，巷道掘進后30m處錨桿錨索的受力穩定，煤幫較頂板錨固穩定快，表明高預應力強力支護可使巷道快速進入穩定狀態。煤幫的移近量不大于15mm，頂板下沉量不大于10mm，采用高預應力強力錨桿支護技術可有效控制圍巖變形。28202工作面回采后，巷道煤幫移近量最大485mm，頂板最大下沉量135mm，只對巷道起底，降低維修率。

圖3 錨桿錨索受力變化圖

5 結論

（1）采用高預應力強力支護技術能保障巷道穩定性。巷道掘進期間，巷道表面位移距工作面56m時處于穩定狀態，巷道變形發生在距工作面35～45m處，巷道兩幫最大移進量16mm，頂板最大下沉量5mm。鄰近28202工作面回采完畢，兩幫最大移進量為435mm，頂板最大下沉量135mm。

（2）28203工作面巷道采用屈服強度500MPa的高強度錨桿錨索支護，提高護表構件的強度，在錨固區內形成剛度較大預應力承載結構與深部圍巖相連，提高預應力承載結構的穩定性。錨索施加高預應力和錨桿形成的壓應力區構成骨架網狀結構，形成對圍巖的主動支護。

（3）留設的煤柱寬度6m，在28202工作面大部分回采后，監測顯示煤柱內應力增加，易受屈服破壞，為此應加強巷道支護強度，保障圍巖的穩定性，減少形變引起的破壞。