綜采條件下超厚煤層回撤巷道圍巖控制技術研究

張鵬杰

（山西寧武大運華盛老窯溝煤業有限公司，山西 寧武 036700）

我國是世界上最大的煤炭生產國，能源統計年鑒數據顯示，我國煤炭產量占全球煤炭產量的46.4%。分布廣泛的中厚（單煤層厚度不超過3.5 m）和特厚（單煤層厚度超過3.5 m）煤層的年平均產量占年原煤產量的40%~50%。

以往的研究雖然對特厚煤層開采巷道的穩定性及控制技術進行了研究，但研究的重點主要集中在某一巷道開挖或某一開采階段對巷道的影響上。在現實中，特厚煤層內的大量巷道必須經歷多次開采活動，特別是相鄰工作面和當前工作面連續兩個推進階段。在這種情況下，巷道圍巖變形和應力演化較為復雜。同時，在這種開采條件下，如果不采取適當的支護技術，圍巖可能會失去穩定性甚至發生破壞。本文以塔山煤礦特厚煤層典型綜采強擾動巷道為研究對象，對頂板支護構件的破壞情況進行了統計分析，采用物理模型試驗研究了特厚煤層圍巖從穩定到失穩的動態破壞過程。推導了綜采巷道的應力、位移分布特征，最后，采用單支高恒阻機械可屈服支柱進行現場應用。

1 特厚煤層綜采巷道圍巖變形研究

1.1 對破壞頂板支撐構件進行現場調查

對綜采8110工作面回采過程中5110回采巷道頂板支護構件的破壞進行了現場研究。現場調查主要涉及錨索、錨桿破壞的主要位置、數量和類型，以及錨索和鋼錨桿在頂板中使用的組合。選取典型結果進行統計分析，如表1所示。

表1 綜采工作面8110掘進時5110回風巷的不同監測位置m

在特厚煤層的開采，主要是五個典型失效模式支撐結構的強烈不安挖掘道路：結合錨索，地腳螺栓的斷裂和電纜，肩螺栓屋頂上屋頂完全伸展到煤炭，撕裂鋼帶和松動的螺栓。

1.2 特厚煤層回采巷道圍巖變形特征及支護結構受力演化

通過對綜采工作面8110超前區頂板支護構件破壞情況的調查統計，需要明確支護結構所承受荷載的演化規律和圍巖變形特征。為此，在5110巷超前工作面250 m范圍內進行了現場監測，如下頁圖1所示。監測巷道圍巖變形、錨桿受力和頂板分層等參數。對于每個參數，五組監視點的變形監測，與第一組間距20 m、30 m、50 m、80 m、100 m的工作面，當工作面先進到最近的監視點，第二個監測站是設置為第一組，然后第五小組等等。在每個錨桿錨索監測站，間距分別設置兩組監測點20 m。每個站由3個觀察點組成（共使用36個觀察點）。在20 m間距處設置13組監測層理離層的監測點，在深淺區分別在7.5 m和2.5 m處設置監測層理離層的基點。

圖1 回風巷圍巖綜合監測布置

綜采8110工作面開采過程中圍巖位移、頂板順層離層、5110回采巷道錨桿錨索受力監測結果如下頁圖2所示。

圖2 5110回采巷道圍巖變形及應力特征

結果表明，煤巷最大的側壁收斂和頂底板位移分別為2 578 mm和1 538 mm，說明煤巷變形較大巷道圍巖受強烈采動應力影響。根據工作面前方100 m的變形特征，最終頂底板位移和增加量均大于兩煤幫的收斂；但在煤巷圍巖變形的大多數過程中，頂底板位移小于兩幫的收斂。此外，隨著工作面的進步，所有的位移監測圍巖巷道的位置增加，卸壓位移增加從480 mm到1 048 mm在工作面前方位置100 m，和增加煤炭的雙方之間的融合從690 mm到1 040 mm的工作面9 m。與此同時，工作面前方10~50 m范圍的頂底板位移和增加量遠大于10~50 m范圍（50~100 m），快速變形帶范圍為10~36 m。結果表明：煤巷的穩定性普遍較弱，圍巖變形與監測站距工作面距離密切相關，表明巷道變形對采動應力高度敏感，8110工作面開采前，隨著鄰近工作面的開采，巷道經歷了開挖階段和側向采動應力。這導致了圍巖應力分布的頻繁變化，對特厚煤層大跨度巷道的穩定性影響顯著。在這種情況下，5110煤巷的圍巖應力也會隨著8110工作面的推進而發生變化，極大地降低了巷道的穩定性，導致圍巖產生較大的變形。

2 單一機械可屈服支柱來支撐特厚煤層

2.1 結構組成和技術優勢

針對特厚煤層綜采巷道圍巖跨度大、采動應力高、變形大等特點，提出了一種新型高恒阻單支機械可屈服支架。如圖3所示，該支柱包括：柱套管、柱桿、滾珠軸承、底座和罩。

圖3 單一機械可屈服支柱

高恒阻的單一機械可屈服支柱是利用柱桿與列套管之間的滾珠軸承架中的鋼球，通過壓滾接觸面使桿的接觸面變形，從而提供工作阻力。工作阻力取決于滾珠軸承和鋼管的材料性能，不受其他外部因素的影響，如安裝制度和環境。柱、套管和抽油桿的機械強度得到充分利用，使支柱能提供較大的支撐力。此外，它提供的工作阻力相當于柱式套管或桿的機械強度的80%，從而實現穩定的支撐。在加載到預先設定的荷載后，隨著支撐空間變得更近，支柱上的軸向力增加，直到達到其規定的工作阻力，然后柱桿在恒定阻力下縮回。可屈服支柱的質量只有液壓支柱的一半左右，因此使用方便。

2.2 高恒阻單支機械可屈服支柱穩定性試驗

可屈服支柱提供的支撐越高，就越容易由于偏心效應而發生彎曲變形。為滿足特厚煤層回采巷道的支護要求，采用NSY500型應力測試系統對可屈服支柱進行室內試驗，支架高度可達3 m，如圖4所示。基于此，得到以下結論：

圖4 高恒阻單支機械可屈服支柱位移與支柱加載曲線

1）在支架高度為3 m時，從初始點A增加到第一個工作阻力峰值點B，承載力超過45 t，支柱位移變化不大，表現出快速的承重作用。

2）通過B點后，工作阻力保持恒定在45 t左右，最大負荷達到49 t，有效實現了柱桿在達到30 m支撐高度的額定工作阻力后，在恒定阻力下的縮回效果。

2.3 現場支持形式和流程

針對綜采開采的強巖層特性在特厚煤層巷道，常數高的單一機械可縮性的支撐阻力先進支持地區可以分為三個類型：支持單列，雙行和多行，主要支持類型和工藝流程。在距超前工作面300~500 m范圍內，采用單一機械屈服支柱代替木架支撐。沿巷道臨近機械高屈服支柱距離在800~1 000 mm范圍內變化，支柱到側壁的距離根據巷道斷面為800~1 500 mm。如果使用一排支撐物，兩個相鄰的支撐物用防傾倒拉桿連接。如果使用兩排或多排支柱進行支撐，則所有相鄰的支柱均采用抗倒拉桿連接。

3 結論

通過實驗試驗和現場試驗，對特厚煤層開采巷道圍巖在強烈破壞性開采過程中的變形破壞特征進行了綜合研究。提出了一種高恒阻力學可屈服單支柱支護特厚煤層后退巷道圍巖的方案。可以得出以下幾個結論：

1）特厚煤層強擾動回采巷道支護結構的典型破壞形式為錨索聯合破壞、錨桿與錨索斷裂、頂板肩桿拉入煤頂、鋼帶撕裂和錨桿松動。

2）綜放工作面推進時采動誘發應力高，且具有一定的周期性。這些應力對巷道變形、頂板順層和錨桿荷載的變化有顯著影響。

3）巷道圍巖變形、損傷率和損傷程度與采動應力強度密切相關。在低應力條件下，損傷較小，巷道圍巖影響范圍較小。當應力達到一定值時，隨著應力的增加，巷道圍巖的破壞速率和破壞范圍顯著增大，最終巷道圍巖破壞形成中高低幫的形態。