孤島工作面強礦壓顯現巷道支護技術研究

辛宗澤

（山西焦煤汾西礦業集團宜興煤業有限公司，山西 孝義 032300）

采用小煤柱沿空掘巷技術，一方面減少了煤炭資源的浪費，提高了煤炭的采出率，另一方面將巷道布置在應力降低區中，極大地改善了巷道圍巖的受力狀況，有利于巷道的維護，具有明顯的技術優勢[1]。但采用小煤柱沿空掘巷技術，為了避開殘余支撐應力的影響，需要在上區段工作面采空區完全穩定之后進行掘進巷道，為了不影響礦井正常的采掘接替作業，往往需要進行跳采作業，這就會出現孤島工作面的情況。本文以宜興礦1202孤島工作面的順槽作為研究對象，探討孤島工作面強礦壓顯現下順槽的有效支護方法。

1 工程概況

宜興礦1202孤島工作面呈東西走向布置，北鄰1201綜采工作面采空區，南與1203工作面采空區相鄰，走向長2933.5m，傾斜長度212.1m，如圖1所示。1202工作面距相鄰工作面留6m煤柱沿空掘巷，頂板巖性以中粒砂巖及砂巖為主，抗壓強度17.89～82.02MPa之間，平均45.30MPa，單向抗拉強度1.29～4.13MPa，平均2.36MPa，屬中等穩定頂板。2號煤層底板巖性大多為炭質泥巖，抗壓強度6.65～45.60MPa，平均21.32MPa；抗拉強度0.57～1.50MPa，平均0.97MPa，屬不穩定巖層。

圖1 1202孤島工作面示意圖

2 巷道礦壓顯現分析

2.1 原有巷道支護形式

1202工作面軌道平巷和運輸平巷均沿煤層頂板布置，掘進寬度5m、高度2.9m，采用錨桿索加金屬網聯合支護，如圖2所示。頂錨桿間排距900×1000mm，桿體采用Φ22×2200mm無縱筋左旋螺紋鋼，錨索為Φ17.8×6500mm鋼絞線，間排距2000×3000mm，幫錨桿間排距900×1000mm，左幫采用Φ16×1600mm圓鋼錨桿，右幫采用Φ16×1600mm玻璃鋼錨桿。

圖2 1202孤島工作面材料順槽原支護方案 （單位:mm）

2.2 巷道破壞情況

由于1202采用小煤柱的護巷方式，雖然巷道避開了峰值應力的影響區域，但小煤柱在上工作面回采期間產生的集中應力的影響下發生塑性變形，整體性變差，中間甚至沒有穩定的彈性應力核區，在本工作面回采期間，在超前支承壓力的影響下，發生較為嚴重的片幫現象，巷幫錨桿大面積失效導致整個巷幫結構的失穩，嚴重制約了巷道的正常使用。

在工作面遇斷層、無炭柱及地質構造復雜地段時，巷道頂底板及兩幫的累計移近量都急劇增加，部分地段巷道頂板出現較為嚴重的離層，甚至錨索被拉斷。整體而言，在1202孤島工作面回采期間，原有的支護方式無法有效控制巷道兩幫及頂底板的變形，甚至發生比較嚴重的片幫和離層。

3 支護方案優化

通過上述礦壓顯現的分析，要想有效控制1202孤島工作面回采巷道的圍巖變形，須采用強幫護頂的支護理念，同時注重工作面的超前加強支護。通過現場觀測及理論計算分析，可以得出靠近煤柱一側的巷幫煤柱塑性區在2m左右，而原有的支護方案中巷幫錨桿的長度僅為1600mm。其錨固點無法深入穩定的煤體中，使得幫部錨桿達不到良好的支護效果，故在優化方案中將幫部錨桿長度改為2200mm。

進一步分析巷道圍巖結構，所采2號煤層平均厚度1.6m，煤層中分布有一到兩層厚度在0.2m左右的夾矸。整體而言巷道兩側結構較為復雜，節理裂隙發育。原有巷幫錨桿的支護密度過低，無法穩定的錨固巷幫。尤其是靠近煤柱側的巷幫，經歷了上區段工作面的采動應力以及殘余支承壓力的影響，煤柱發生大范圍塑性破壞。加之本工作面掘巷擾動以及本工作面回采產生的超前支承壓力的影響，在巷幫沒有足夠支護強度的情況下，煤體更加破碎，承載能力進一步下降，甚至產生嚴重的片幫現象。因此，需提高原有的巷幫支護密度，對煤柱側的巷幫進行注漿加固。

在原有支護方案中，頂板的支護耦合性差，在錨桿還沒能充分發揮承載性能的時候，錨索已產生破斷，錨桿錨索的支護系統沒有很好的協調發揮作用，作為一個統一的支護系統來強化圍巖。針對此問題，引入桁架錨索支護。此系統采用專用的連接器將兩根斜打入巷道頂板的錨索連接起來，并施加水平預緊力[2-3]。桁架錨索不僅可以對巷道頂板產生垂直于頂板方向的懸吊力，還可以產生水平的壓力改善頂板圍巖的受力狀況，使其成為一個較為穩定的整體，再配合頂板淺部的錨桿支護，整體性得到進一步加強。最終，使得改進后的支護方案能達到強幫護頂的理想支護效果。

結合以上基于受力機理及現場工程地質條件的優化分析，最終得出改進后的支護方案如下圖3所示。靠近煤柱側的巷幫錨桿及頂板錨桿均采用Φ22×2200mm的螺紋鋼錨桿，排距由原來的1000mm縮短為800mm。原頂板的單體錨索改為桁架錨索，排拒1600mm。

圖3 1202孤島工作面材料順槽改進支護方案 （單位:mm）

4 效果

掘進機每掘進一個進尺（800mm），及時打錨桿進行支護，上鋪金屬網。隨后按照改進后的支護方案進行永久支護。支護完成后，滯后掘進工作面不超過50m的距離對煤柱側巷幫進行注漿加固。1202回采期間，根據峰值應力的影響范圍，超前工作面15m的范圍內加強臨時支護。

采用改進后的支護方案后，通過現場觀測表明，1202孤島工作面生產期間，兩順槽頂底板累計移近量平均200mm，最大500mm，兩幫移近量平均300mm，最大600mm，沒有出現大面積的片幫現象，減少了巷道復修的工作量，保證了工作面的安全高效推進。證明改進后的支護方案能夠有效地控制1202孤島工作面順槽的圍巖變形，為相似條件的巷道支護提供了有益的參考。