綜采工作面采動壓力影響下巷道支護技術研究

袁亞文

(陜西陜煤黃陵礦業有限公司，陜西 延安 727307)

0 引言

煤礦綜采工作面在回采過程中，回采巷道受到采動壓力影響，圍巖受到明顯擾動，巷道收斂變形較大，甚至造成圍巖破壞，大大降低圍巖穩定性。王金華[1]應用 FLAC3D數值模擬軟件，研究了煤巷變形特點與主要影響因素，提出錨桿(索)載荷對改善煤巷圍巖受力狀態起到的關鍵作用；常聚才等[2]針對錨桿預緊力對巖石巷道支護效果的影響，理論推導出了巷道圍巖位移、應力分布與錨桿預緊力之間的關系；李書民等[3]采用理論分析和工程類比的方法，研究了深部大斷面高應力下煤巷聯合支護技術，指出提高錨桿預應力，加強錨桿、錨索支護能降低巷道圍巖受力變形，增強巷道的穩定性。

在綜采工作面超前支承壓力作用下，巷道收斂嚴重，頂板支護失效較多，嚴重影響綜采工作面安全回采。以黃陵礦業公司一號煤礦805工作面回采期間設置觀測點為例，分析巷道受到采動壓力影響而變形破壞的原因，提出錨桿(索)聯合支護方案，通過現場工業試驗進行研究。

1 概況

黃陵一號煤礦地處陜西省黃隴侏羅紀煤田黃陵礦區的東北部，隸屬于黃陵礦業有限公司，位于陜西省黃陵縣店頭鎮，是國家“八五”重點建設項目和20項興陜工程之一。一號煤礦煤炭資源豐厚，井田面積197.5 km2，地質儲量4.4億t，可采儲量3.5億t，采用平硐單水平分區式開拓方式，走向長壁采煤法，全部垮落法管理頂板，礦井生產能力為0.6 Mt/a。

805工作面位于八盤區西翼，東接八盤區進風巷，南部為803工作面，西部為井田邊界。工作面對應上覆地表為低山林區，回采對地面無影響。工作面布置兩條回采巷道，其中805進風順槽1 365 m，回風順槽1 360 m，工作面寬度235 m，煤層平均厚度3.4 m，2號煤為工作面范圍內唯一可采煤層。覆巖老頂為深灰色、細密、較硬的細粒砂巖，平均厚度11.6 m，中厚層狀，有斷續波狀層理，具黑色條帶，端口不平，層面富集云母碎片。直接頂為灰黑色、薄層狀的砂質泥巖，平均厚度5.6 m，中下部有黃鐵礦薄膜，為不穩定、易冒落頂板。偽頂主要為薄層狀泥質粉砂巖或砂質泥巖，厚度均在0.5 m以下，隨采隨落。

2 巷道支護機理

2.1 受采動壓力影響巷道圍巖變形力學因素分析

綜采工作面回采導致上覆巖層的原巖應力場的平衡狀態失去穩定，工作面采空區上覆巖層壓力重新分布，在采空區周圍形成新的支承壓力帶(應力分布如圖1所示)，應力不僅集中在周圍煤柱上，還會繼續向底板深處傳遞。根據最大水平應力理論，在圍巖層狀特征突出的回采巷道內，鉛垂應力向兩幫轉移，主要顯現于兩幫，導致兩幫的破壞；水平應力向底板轉移，主要顯現于底板巖層，表現為巷道底鼓。因此，需要借助錨桿(索)聯合支護來控制巷道圍巖變形。

1-工作面前方支撐壓力；2、3、4-沿傾斜、沿仰斜及工作面后方支撐壓力

2.2 錨桿(索)對圍巖的支護作用

錨桿支護的作用是盡量讓圍巖處在受壓狀態，最大程度地使錨固區圍巖保持穩定，阻止錨固區圍巖破壞范圍擴大，不讓巷道出現剪切、拉伸破壞與彎曲變形，提高巷道周圍巖層的穩定性與整體強度[4-7]。

錨索支護一方面是因為錨索產生的強大作用力，使巖體中的不連續面互相擠壓，使圍巖的整體性提高，抗剪強度增加；另一方面，通過錨索將錨桿形成的加固體與深部巖體連成一個整體，由此巖體的承載范圍加大，承載能力極強。

錨桿、錨索聯合支護不是單一支護的簡單疊加，而是通過對不同層位巖體的支護耦合，實現對圍巖的變形協調，從而限制圍巖產生的有害變形，提高支護體的力學參數(彈性模量、等效內聚力、等效內摩擦角)，改善被支護巖體的力學性能；使巷道圍巖處于峰后區圍巖強度得到強化，提高峰值強度和殘余強度；同時可改變圍巖應力狀態，提高圍巖承載能力，減少巷道周圍破碎區、塑性區的范圍和巷道表面位移，控制圍巖破碎區、塑性區的發展，從而達到巷道穩定的目的。

3 確定支護方案及支護參數

3.1 確定支護方案

錨桿支護利用錨桿、錨固劑及其護表構件給圍巖一定的支護強度，與圍巖組成支護體系，承受各種圍巖應力和采動應力。錨索具有錨固深度大、錨固力大、可施加較大預緊力的優點，端部錨索主要起懸吊作用，通過施加較大的預緊力，擠緊和壓實巖層中的層理、節理、裂隙等不連續面，增加不連續面之間摩擦力，從而提高圍巖的整體強度[8]。

巷道掘進后安裝錨桿，形成錨-巖支護承載體，通過錨-巖支護承載體發生大變形，可釋放圍巖變形能，然后通過錨索聯合支護，提高整體穩定性，整個過程，既可起到柔性卸壓作用，又可發揮支護體各自優勢。只要保障錨桿、錨索材質、支護構件強度、支護預緊力及支護時間到位，可大大改善錨桿支護的性能，達到控制破碎圍巖大變形的目的。配合使用鋼帶和網片，確保錨桿預緊力均衡分布，阻止圍巖松動圈由淺向深擴大，提高支護的整體性。

由上可知，錨網索聯合支護是適用于煤礦巷道頂板維護的合理方式，是充分發揮錨桿、錨索等支護構件的支護特點，并非簡單的支護效果累加，而是互相補充，形成整體支護結構，達到支護效果最佳狀態。因此，采用“錨桿(索)聯合支護”方案，能夠實現巷道支護需求，實現頂板安全回采[9-10]。

3.2 確定巷道支護參數

805進風順槽支護采用錨桿+錨索梁+塑鋼網聯合支護方式，如圖2所示。錨桿為φ20 mm×2 500 mm左旋無縱筋螺紋鋼錨桿，每孔消耗3節L=350 mm樹脂，錨桿托盤尺寸200 mm×200 mm×12 mm，頂錨桿間排距800 mm×800 mm，“六-六”矩形布置，幫錨桿間排距700 mm×1 000 mm，“四-四”矩形布置，兩幫部各增加1根長度為2.6 m的T140型鋼帶；錨索梁長4 200 mm，排距800 mm，一梁四索，鋼絞線規格為φ17.8 mm×10 300 mm鋼絞線，每孔消耗L=700 mm樹脂3節；頂、幫部掛塑鋼網。

圖2 進風順槽巷道支護斷面

805回風順槽支護采用錨桿+錨索梁+塑鋼網聯合支護方式，如圖3所示。錨桿為φ20 mm×2 500 mm左旋無縱筋螺紋鋼錨桿，每孔消耗3節L=350 mm樹脂，錨桿托盤尺寸200 mm×200 mm×12 mm，頂錨桿間排距800 mm×800 mm，“六-六”矩形布置，幫錨桿間排距700 mm×1 000 mm，“四-四”矩形布置；錨索梁長4 200 mm，排距1 600 mm，一梁四索，鋼絞線規格為φ17.8 mm×8 300 mm鋼絞線，每孔消耗L=700 mm樹脂3節；頂、幫部掛塑鋼網。

圖3 回風順槽巷道支護斷面

4 巷道觀測

4.1 巷道頂板離層觀測

設置巷道頂板離層觀測點：在805工作面進、回風順槽距開切眼250 m處設置頂板離層觀測點，各安設1組頂板離層儀器，記錄該組離層儀隨著工作面回采推進過程中的離層數據，綜合分析工作面回采期間進、回風順槽試驗離層儀數據。

進風順槽頂板離層規律分析：進風順槽在距回采工作面63 m以外，頂板累計位移量變化不大，可認為頂板基本上處于穩定狀態，沒有發生離層現象，監測數據變化曲線，如圖4所示。在距回采工作面63 m以內，隨著工作面的推進，頂板位移量都不斷增加，淺部基點處累計位移量最大為27 mm，深部基點累計位移量最大為30 mm。

圖4 805進風順槽頂板離層監測數據變化曲線

回風順槽頂板離層規律分析：回風順槽在距回采工作面51 m以外，頂板累計位移量變化不大，可認為頂板基本上處于穩定狀態，沒有發生離層現象，監測數據變化曲線如圖5所示。在距回采工作面51 m以內，隨著工作面的推進，頂板累計位移量都不斷增加，淺部基點處累計位移量最大為24 mm，深部基點累計位移量最大為28 mm。

圖5 805回風順槽頂板離層監測數據變化曲線

4.2 巷道收斂觀測

設置巷道收斂觀測點：在805工作面進、回風順槽距切眼100 m巷道內布置20個測點，每個測點間距5 m，采用十字布點法對進風順槽的頂板下沉量、底鼓量及幫部移近量進行觀測，如圖6、7所示。

圖6 805進風順槽收斂變化趨勢

兩順槽收斂規律分析：通過觀測分析可知，隨著805工作面正常推采，受超前采動壓力影響，進風、回風順槽巷道頂底板移近量最大均不超過400 mm；幫部移近量不超過60 mm，且巷道收斂變形主要集中在煤壁前方50 m范圍內，50～100 m范圍巷道收斂量逐漸趨于0，在觀測期間兩順槽安全出口暢通，巷道收斂量均在可控范圍內，說明巷道的永久支護均能夠滿足實際生產需求。另外巷道頂底板移近量主要表現為巷道底鼓，約占總量的85%，最大移近量達320 mm。巷道底板為開放型支護管理，受超前支承壓力影響底鼓，落底后能夠滿足回采巷道使用要求。

圖7 805回風順槽收斂變化趨勢

5 結論

綜采工作面回采巷道受超前支承壓力影響后，容易導致圍巖中應力超過其承載極限，從而導致巷道圍巖支護困難。通過分析805工作面兩順槽頂板離層、巷道收斂數據說明，頂板下沉及幫部收斂變形量小，錨網索聯合支護設計合理，支護強度能夠滿足安全使用需要，805工作面錨網索聯合支護技術與鋼帶、金屬網聯合使用，能很大程度提高巷道支護質量，針對具體問題，提出合理的支護參數，可以很大程度上解決煤礦井下巷道維護困難的問題，保證巷道圍巖穩定，實現煤礦安全高效的開采。