采空區(qū)下主要運輸巷道支護方式研究

李 銳

（山西陽煤集團新景公司，山西 陽泉 030052）

近距離煤層的開采通常采用下行式開采，由于層間距較近，下部煤層受上部煤層開采擾動及區(qū)段留設(shè)煤柱的影響，造成了下煤層回采巷道推進時礦山壓力不斷增大，給下方回采巷道的維護帶來一定困難，影響礦井的安全生產(chǎn)。因此，實現(xiàn)對近距離煤層采空區(qū)下回采巷道的加強支護具有重要意義。本文針對新景礦43108工作面主要運輸巷道因礦山壓力巨大而導(dǎo)致的嚴重變形問題展開研究，提出了以高強預(yù)應(yīng)力錨桿和錨索聯(lián)合支護為主、工字鋼支護為輔的高穩(wěn)型新型支護方式。

1 工程概況

新景礦目前主采2#和3#煤層，3#煤層距離上部2#煤層6.31～9.89m，平均為8.45m，屬于近距離煤層，采用下行式開采，2#煤層已采空，采空區(qū)頂板采用全部垮落法管理。43108工作面布置于3#煤層中，工作面上方留有20m寬區(qū)段保護煤柱。43108巷道主要巖石力學(xué)參數(shù)如表1所示。

表1 43108主要運輸巷道煤巖力學(xué)參數(shù)

43108工作面沿煤層頂板掘進，巷道為矩形斷面，上、下凈寬均為3500mm，凈高2900mm，采用11#工字鋼棚支護，排間距為800mm。由于在巷道掘成后，運輸巷頂板大面積下沉，導(dǎo)致工字鋼頂梁被壓彎，棚腿彎曲向內(nèi)移，并且部分區(qū)段出現(xiàn)底鼓。為此，棚間距改為600mm，并在頂梁打錨索梁補強支護，但效果并不明顯。

2 巷道失穩(wěn)變形原因分析

經(jīng)過現(xiàn)場實測發(fā)現(xiàn)，影響43108工作面主要運輸巷道失穩(wěn)變形的主要原因大致分為三種：

（1）巷道布置。3#煤層上部煤層的采空必然導(dǎo)致圍巖應(yīng)力重新分布，應(yīng)力會向保護煤柱轉(zhuǎn)移，容易造成應(yīng)力集中現(xiàn)象，保護煤柱上的應(yīng)力繼而向底板傳遞，底板對下煤層回采巷道施壓，造成巷道失穩(wěn)變形。為有效避免所留設(shè)煤柱的影響，同時考慮1.5倍安全系數(shù)，應(yīng)將43108工作面運輸巷道與上部煤柱之間的水平距離設(shè)置在16m左右。

（2）應(yīng)力場的分布對于運輸巷道的穩(wěn)定性也會產(chǎn)生影響。由于上部煤層在經(jīng)過開采后，煤層底板此時可看作一個半無限彈性體，保護煤柱上的應(yīng)力可看作均布載荷，那么在寬度為20m的均布載荷作用下，煤柱下方的底板所受應(yīng)力呈現(xiàn)非均勻特性，并且在不同水平面下，距離煤柱越近，應(yīng)力不均勻特性越明顯；同一水平面時，距離煤柱越近的點，應(yīng)力不均勻特征越明顯，應(yīng)力的這種不均勻分布特性容易出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，造成局部過載，從而導(dǎo)致局部發(fā)生失穩(wěn)變形，如圖1所示為應(yīng)力系數(shù)與距煤柱中心距離關(guān)系圖。

圖1 應(yīng)力系數(shù)與距煤柱中心距離關(guān)系圖

（3）支護方式的不同對于巷道圍巖變形情況影響不同，合理的支護方式以及支護強度對于巷道圍巖的穩(wěn)定性起到積極的作用。由于受到上部煤層采動及保護煤柱的影響，43108工作面運輸巷道頂板裂隙較為發(fā)育，穩(wěn)定性差。因此，需要采取措施及時支護并加大支護強度，只有形成穩(wěn)定承載結(jié)構(gòu)，才能防止圍巖變形。

3 現(xiàn)場應(yīng)用及對比分析

通過對現(xiàn)場圍巖變形特征分析，提出了兩種新型支護方式：

方案Ⅰ：錨桿-工字鋼聯(lián)合支護，錨桿采用Ф20mm×2200mm高強螺紋鋼樹脂錨桿，頂部及幫部錨桿間排距均設(shè)計為800mm×800mm。

方案Ⅱ：錨桿-錨索-工字鋼聯(lián)合支護。錨桿采用Ф20mm×2200mm高強螺紋鋼樹脂錨桿，每孔均采用2支Z2350中速樹脂藥卷錨固，鼓型托盤尺寸大小為150mm×150mm×10mm，預(yù)緊力矩為300N·m，網(wǎng)筋網(wǎng)規(guī)格為2600mm×800mm和3300mm×800mm，網(wǎng)與網(wǎng)之間采用自連方式；錨索加強支護，充分發(fā)揮圍巖承載能力，配合自連鋼筋網(wǎng)支護頂、幫，錨索采用Ф17.8mm×6000mm鋼絞線，每孔使用1支K2550和2支Z2550樹脂藥卷錨固，錨索托梁采用18#槽鋼，長度取為300mm，平托盤在鎖具和托梁之間，尺寸為140mm×140mm×10mm，錨索預(yù)緊力為100kN，頂部錨索間排距設(shè)計為1500mm×800mm，幫部錨索間排距設(shè)計為1400mm×800mm。

將兩種新方案與原支護方案進行對比，發(fā)現(xiàn)方案Ⅰ相比原支護方案兩幫移近量減少了122.4mm，頂板下沉量減小63.6mm，巷道圍巖變形在一定程度上得到控制；方案Ⅱ相比原支護方案兩幫移近量減少了178.6mm，頂板下沉量減少了97.4mm。由此可見，隨著支護強度的增加，圍巖應(yīng)力狀態(tài)逐步得到改善，尤其方案Ⅱ?qū)τ趪鷰r殘余強度和承載能力的提高方面更進一步，兩種新方案相比原支護方案結(jié)果對比如表2所示。

表2 兩種新方案相比原支護方案結(jié)果對比分析表

經(jīng)過對比分析發(fā)現(xiàn)，方案Ⅱ的支護效果最好，支護方式采用高強預(yù)應(yīng)力錨桿-錨索聯(lián)合支護，并輔以高強穩(wěn)定型工字鋼，在錨桿（索）間布置工字鋼梯形棚，采用11#工字鋼，間排拒為800mm。由于工字鋼具有較高的護表能力，對于控制巷道淺部破碎圍巖、剪脹變形以及錨桿支護后發(fā)生的圍巖變形量均具有明顯效果。加大支護強度不僅能夠使頂板穩(wěn)定性得到提高，對于圍巖殘余強度以及充分發(fā)揮圍巖承載能力也有一定積極作用，方案Ⅱ支護方式如圖2所示。

圖2 方案Ⅱ巷道支護（單位:mm）

在對43108主要運輸巷道運用技術(shù)方案Ⅱ后進行觀測，發(fā)現(xiàn)在3個月的時間內(nèi)巷道兩幫移近量最大值為98.9mm，巷道頂板下沉量最大值為55.1mm，相比原支護方案及方案Ⅰ有了明顯改進，巷道圍巖變形得到有效控制，為安全生產(chǎn)提供了保障。

4 結(jié)語

（1）通過采用“錨桿-錨索-工字鋼”聯(lián)合支護技術(shù)，形成高強穩(wěn)定型支護方案，利用高強預(yù)應(yīng)力錨桿，結(jié)合錨索加強支護，并在錨桿（索）之間布置工字鋼梯形棚達到高強穩(wěn)定型支護的要求。實踐表明，此種高穩(wěn)型支護方案對于巷道圍巖變形的控制具有良好的效果。

（2）巷道布置存在一定不合理性，那么在由區(qū)段煤柱引起的非均勻應(yīng)力場作用下，43108工作面運輸巷道原有工字鋼支護無法控制巷道圍巖所產(chǎn)生的變形。因此，通過加大支護強度，采用高強穩(wěn)定型支護技術(shù)，及時形成有效穩(wěn)定的承載結(jié)構(gòu)，從而控制圍巖穩(wěn)定，避免產(chǎn)生強烈剪脹變形。