特厚煤層小煤柱沿空掘巷支護技術研究

張世國，李中偉

(1.兗州煤業股份有限公司，山東 濟寧 272000；2.中煤科工開采研究院有限公司，北京 100013；3.天地科技股份有限公司 開采設計事業部，北京 100013)

隨著我國優質煤炭資源的減少、巷道圍巖控制技術的發展和降低巷道發生沖擊地壓災害概率的需要，越來越多的礦井采用小煤柱沿空掘巷的方式布置回采工作面巷道。一些專家學者對小煤柱巷道圍巖控制技術進行了研究，付玉凱等[1]針對深部煤柱留巷圍巖控制難題，在分析煤柱留巷圍巖破壞機制的基礎上，建立煤柱留巷力學模型，分析支護力、采動應力、煤巖體力學屬性與莫爾圓間的相互關系，提出深部煤柱留巷“卸-支-注”協同控制技術，有效改善了煤柱留巷的圍巖力學屬性和應力狀態，實現了對王坡礦深部煤柱留巷圍巖穩定的有效控制。李學華等[2]分析了6個礦井影響窄煤柱變形破壞的關鍵因素。柏建彪等[3]數值計算分析了綜放沿空掘巷圍巖變形情況，同時分析了煤柱穩定性與錨桿支護強度之間的關系。馮吉成等[4]研究了深井大采高工作面不同煤柱寬度下煤柱兩側塑性區分布情況，分析了采掘擾動對巷道變形的影響。朱若軍等[5]采用數值計算方法，研究了沿空掘巷不同煤柱寬度和巷道支護強度時煤柱的應力場和位移場。趙啟峰等[6]針對謝橋煤礦沿空掘巷工程地質條件，模擬研究了沿空巷道不同階段覆巖應力分布、圍巖變形特征、支護體受力情況，并優化了巷道支護參數。趙國貞等[7]對沿空小煤柱兩側分階段注漿加固，形成了煤柱、頂煤、頂板組成的超靜定懸臂梁結構，促使頂板斷裂線的位置從采面側向鄰近面采空區側移動，減小煤柱應力，從而達到了減小巷道變形、增強巷道圍巖穩定性的目的。康紅普等[8-15]提出了高預緊力強力錨桿錨索支護技術，在高地應力巷道、沿空留巷、動壓巷道和軟巖巷道等多種條件下成功應用。本文在對鮑店礦5312運輸巷頂幫煤巖體結構窺視分析、強度測試、現有支護問題分析和錨桿預緊力轉化試驗的基礎上，優化了現有支護方案，并進行了井下試驗，礦壓監測結果表明新支護體系大幅度提高了巷道的初期支護強度，避免了圍巖的變形破壞，解決了幫部煤體局部鼓出嚴重的問題。

1 工程概況

鮑店礦5312運輸巷設計走向長度590m，地面標高+43.44～+43.90m，工作面標高-439.4～-492.2m，西距5311采空區4m，5311工作面采空區頂板巖層運動已穩定。5312運輸巷受兩條斷層影響，落差分別為0～3.4m、0～0.6m，斷層對巷道局部地段穩定性有影響，巷道不受其它構造影響，5312運輸巷布置如圖1所示。3號煤，條帶狀結構，層狀構造，裂隙較發育，厚度8.08～9.73m，平均8.65m，f=2.9。直接頂為粉砂巖，厚度1.91～4.55m，平均3.56m，裂隙發育，f=4～6，之上為粉細砂巖互層，厚度6.07～10.86m，平均8.47m，f=6～8。基本底為粉細砂巖互層，厚度17.43～19.42m，平均18.43m，f=6～8。

圖1 5312運輸巷布置

5312運輸巷頂板圍巖結構窺視結果表明：頂板有厚度5.7m的3號煤，之上有厚度2.2m的砂質泥巖，之上為砂巖，3號煤結構完整，砂質泥巖整體結構完整、局部縱向裂隙發育，砂巖裂隙較為發育；實體煤側幫10m范圍內，煤體完整性好；小煤柱側幫0.5m范圍內煤體破碎，0.5～2.3m范圍內結構完整，有利于錨桿支護能力發揮，2.3～2.9m煤體裂隙發育。

采用自主研制的WQCZ-56型圍巖強度測試裝置，在窺視孔內對煤巖體強度進行了測試，煤巖體強度測試結果表明：頂板煤體單軸抗壓強度平均值為20.13MPa，砂質泥巖單軸抗壓強度平均值為52.63MPa；幫部煤體單軸抗壓強度平均值為21.19MPa。

綜上，從頂幫煤巖體窺視結果和強度測試結果分析，巷道圍巖完整性較好，強度較高，易于錨桿錨索發揮支護作用，巷道圍巖易保持穩定。

2 現有支護存在的問題及改進措施

2.1 現有支護分析

5312運輸巷現有支護方案如下：頂板采用?22mm×2400mm左旋無縱筋螺紋鋼錨桿，間排距900mm×900mm，幫部采用?20mm×2200mm左旋全螺紋錨桿，間排距為1000mm×900mm，頂幫錨桿桿體屈服強度均為500MPa，頂幫錨桿預緊扭矩均不得低于300N·m，頂板錨桿托板規格為120mm×120mm×10mm，幫部錨桿托板規格為150mm×150mm×10mm。頂板錨桿采用T型鋼帶連接，T型鋼帶寬度140mm，長度4700mm，幫部錨桿采用膠帶連接。8#金屬網護頂和幫。頂板錨索直徑21.8mm，長度9000mm，一根布置在巷中，另一根在頂板右側距離巷中2100mm，間排距2100mm×2700mm。錨索均垂直頂板布置。錨索托板規格為300mm×300mm×20mm。預緊力不得小于200kN。最大控頂距2300mm。

鮑店煤礦5312運輸巷現有支護方式巷道變形量較大，幫部局部鼓出嚴重，經分析認為現有支護主要存在以下問題：①原錨桿托板結構需要優化，主要體現在以下2個方面：托板孔口直徑偏小，錨桿與托板易相互“蹩勁”，容易引起錨桿受到剪、扭、彎等復合應力作用發生破斷；幫部錨桿托板加工不規范，托板四個角與護表構件呈點接觸，托板易剪切護表構件。②錨桿托板和螺母之間沒有調心球墊和減摩墊片。調心球墊能夠和錨桿托板組成可調心結構，在錨桿承受偏心載荷作用時，能夠優化錨桿的受力狀態；減摩墊片能夠降低螺母和托板之間的摩擦阻力，提高錨桿預緊扭矩和預緊力轉化效率，提高錨桿的預緊力。③目前使用的尺寸300mm×300mm×20mm的方形帶拱錨索托板存在以下問題：錨索托板不配套調心球墊，錨索容易受托板的剪切，導致錨索破斷；托板四個角與金屬網或其它護表構件形成點接觸，不利于錨索預緊力和工作阻力的擴散，同時托板四個角會剪切金屬網或其它護表構件，易破壞護表構件；托板厚度過大，施工不方便且浪費材料。④幫部護表采用膠帶護表，護表強度和剛度不足，導致幫部鼓出嚴重，幫部鼓出進一步導致巷道底鼓和頂板下沉，巷道變形量不斷增加。

2.2 錨桿預緊力矩與預緊力轉化試驗

針對現有支護存在的問題，研發了新型錨桿托板，并配套了調心球墊和減摩墊片。目前減摩墊片的材料主要有塑料和1010尼龍，在實驗室研究了塑料、1010尼龍和無減摩三種條件下錨桿預緊力矩與預緊力轉化情況，不同減摩措施下錨桿預緊扭矩與預緊力轉化結果均值變化曲線如圖2所示，從圖2中可以看出：1010尼龍減摩效果最好，塑料減摩效果最差，無減摩措施效果居中；同等扭矩下1010尼龍減摩效率較塑料減摩效率高45%以上，在扭矩400N·m以下時甚至高68%以上；塑料與不加減摩墊片相比，預緊力矩與預緊力轉化效率約降低10%。根據試驗結果，選用1010尼龍材質的減摩墊片。

圖2 不同減摩措施下錨桿預緊扭矩與預緊力轉化結果均值變化曲線

2.3 支護改進措施

在以上分析研究的基礎上，結合錨桿錨索支護技術的研究成果，提出鮑店煤礦5312運輸巷支護改進措施如下：

1)研發100mm×100mm×10mm新型方形帶拱錨桿托板，配套調心球墊和減摩墊片，減摩墊片采用1010尼龍材質，通過改進錨桿托板和配套調心球墊與減摩墊片，減少錨桿尾部的應力集中、優化錨桿尾部受力狀態，提高錨桿預緊力矩與預緊力轉化效率，提高錨桿預緊力，提高巷道的初期支護強度，減少圍巖的初期破壞，充分發揮圍巖自身的承載能力，提高巷道支護的安全狀態。

2)研發300mm×300mm×16mm新型方形帶拱錨索托板，配套調心球墊，減少甚至避免錨索受托板的剪切，優化錨索尾部受力狀態，新型錨索托板底面為平面，降低了錨索托板對煤巖接觸面的破壞。

3)幫部護表構件選用T型鋼護板，尺寸為中間厚度10mm，長度350mm，寬度230mm，大幅度提高幫部的護表剛度和強度，使錨桿的預緊力和支護阻力能夠擴散到距錨桿更遠處的煤巖體，提高幫部的支護強度，使幫部形成一個整體，減少幫部局部鼓出導致的幫部大范圍破壞。

4)提高錨桿預緊力矩至400N·m，提高巷道的初始支護強度，實現一次支護強度達到控制巷道變形量的需求。

3 現場試驗

3.1 支護設計方案

鮑店煤礦5312運輸巷為特厚煤層小煤柱沿空掘巷，凈煤柱尺寸4m，巷道為梯形斷面，沿煤層底板掘進，頂寬5.0m，底寬5.4m，高度3.7m，沿空掘巷支護方案如圖3所示。

圖3 沿空掘巷支護方案(mm)

1)頂板支護。錨桿桿體為直徑22mm左旋無縱筋螺紋鋼筋，屈服強度500MPa，長度2400mm，螺紋長度90～120mm，采用兩支樹脂藥卷，一支規格為MSCK2350，一支規格為MSK2370。采用方形帶拱高強度錨桿托板，配套調心球墊和1010尼龍墊圈，托板尺寸為100mm×100mm×10mm。采用8#鐵絲編織的菱形金屬網護頂，網孔規格50mm×50mm，網片規格5200mm×1100mm。T型鋼帶護頂，凸臺厚度10mm，寬140mm，長度4700mm，孔間距900mm。錨桿排距1000mm，每排6根錨桿，間距900mm。錨索直徑21.8mm，采用1×19股，最大力總延伸率不小于5.0%，長度8000mm，采用三支樹脂藥卷，一支規格為MSCK2350，兩支規格為MSK2370。錨索托板采用300mm×300mm×16mm高強度托板，配套調心球墊。錨索“二?二”布置，間距2100mm，排距3000mm。全部垂直巷道頂板打設，錨索張拉至250kN。

2)幫部支護。錨桿桿體為直徑20mm左旋全螺紋錨桿，屈服強度500MPa，長度2200mm。采用一支樹脂藥卷，規格為MSK2370，采用方形帶拱高強度錨桿托板，配套調心球墊和1010尼龍墊圈，托板尺寸為100mm×100mm×10mm。T型鋼護板護幫，中間厚度10mm，長度350mm，寬度230mm。采用8#鐵絲編織的菱形金屬網護幫，網孔規格50mm×50mm，網片規格3500mm×1100mm。錨桿排距1000mm，每排每幫4根錨桿，間距1000mm。頂幫錨桿預緊扭矩要達到400N·m，但不能超過500N·m。錨桿全部垂直巷道頂板和幫部打設，考慮到施工需要，允許5°誤差。

3.2 礦壓監測

在巷道掘進40m后，對巷道的頂板下沉量和兩幫移近量進行了監測，監測結果可以看出：巷道頂板下沉量16mm，兩幫移近量45mm，頂板下沉量在距迎頭28m時基本保持穩定，兩幫移近量在距迎頭35m時基本保持穩定；巷道圍巖變形量不大，但是變形持續時間相對較長。

支護方案改進后支護效果較原支護方案有了極大的改善，通過提高錨桿預緊力、優化錨桿支護構件和護表構件，大幅度提高了巷道的初期支護強度，避免了圍巖的變形破壞，解決了幫部煤體局部鼓出嚴重的問題。

4 結 論

1)3號煤結構完整、煤體單軸抗壓強度超過20MPa，頂板砂質泥巖整體結構完整、局部縱向裂隙發育，砂巖裂隙較為發育，砂質泥巖單軸抗壓強度平均值為52.63MPa，在4m小煤柱下，煤柱幫破壞范圍0.5m。巷道圍巖地質條件較好，巷道主要破壞形式為幫部局部鼓出。

2)在實驗室試驗了不同減摩措施下的減摩效果，1010尼龍減摩效率較塑料減摩效率高45%以上，在扭矩400N·m以下時甚至高68%以上，塑料減摩效率與不加減摩墊片相比，減摩效率約降低10%。根據試驗結果，選用1010尼龍材質的減摩墊片。

3)在研發新型錨桿錨索托板、采用T型鋼護板新型護表構件和提高錨桿預緊力矩至400N·m的基礎上設計了支護方案，井下試驗結果表明大幅度提高巷道的初期支護強度，可避免圍巖初期變形破壞，充分發揮圍巖的自承載能力，解決了幫部煤體局部鼓出嚴重的問題。