綜放開采沿空巷道圍巖變形支護技術的研究

許 峰

（山西汾西礦業集團孝義煤礦管理分公司，山西 孝義 032300）

引言

如今厚煤層占已探明煤炭資源儲量的45%左右，厚煤層普遍采用綜放開采方式[1-2]。為了提高煤炭采收率，部分礦井放棄傳統的寬煤柱護巷方式改為窄煤柱沿空留巷[3]。但是采用此種沿空留巷時受到巷道斷面大、煤柱寬度窄以及采動動壓顯現明顯等因素影響，巷道圍巖變形控制難度較大，采用傳統的巷道支護方式難以滿足巷道圍巖控制需要[4-6]。為此，文中以山西某礦31507 沿空留巷（回風巷）巷道為工程背景，對采取的巷道支護技術進行探討，以期能為其他礦井類似情況下巷道支護提供參考。

1 工程概況

31507 工作面回采的15 號煤厚度6.8 m、傾角3.9°，采用綜放開采工藝，采放比為1∶1.8。31507采面設計走向、傾向長度分別為1 680 m、265m。為了提高煤炭回收率，提出將31507 回風巷與鄰近31505 采空區間保留8 m 寬護巷煤柱，31507 回風巷斷面為矩形（凈高、凈寬分別為5.4 m、3.5 m），沿著15 號煤層底板掘進。

現階段31507 回風巷已掘進405 m，支護方式為：頂板6 根錨桿（Φ18 mm×2 000 mm）、2 根錨索（Φ17.8 mm×8 400 mm），巷幫布置3 根錨桿（Φ18 mm×2 000 mm）并在窄煤柱幫增加布置2 根錨索（規格為Φ17.8 mm×6 300 mm）以提高煤柱抗變形能力。

但是在巷道已掘進范圍內巷道呈現較大的變形，具體表現為頂板破碎、下沉以及巷幫收斂，底板未有明顯底鼓發生。具體在巷道已掘進的350 m 位置巷幫變形現場圖見圖1。

圖1 350 m 位置巷幫變形現場圖

2 沿空留巷圍巖變形特點分析

2.1 沿空留巷圍巖松動圈范圍測試

圍巖松動圈具體指巷道圍巖形成的破碎帶，松動圈是評價巷道圍巖穩定性的主要指標。采用現場實測法對31507 回風巷圍巖松動圈分布范圍進行測試，在已掘進巷道內每隔100 m 布置測站測定松動圈范圍，具體測點布置見圖2。現場測定的松動圈分布范圍見下頁表1。

表1 松動圈范圍

圖2 圍巖松動圈測站布置圖

從表1 看出，31507 回風巷在原有的巷道支護參數下頂板、巷幫松動圈最大發育范圍分別達到2.9 m、2.5 m。31507 回風巷頂板高度約為2.9 m，頂板松動圈范圍已經發育到煤層頂板。同時在窄煤柱幫松動圈分布范圍明顯高于實體煤幫。通過巷道圍巖變形以及松動圈測試表明，31507 回風巷原采用的支護技術難以滿足留巷段圍巖控制需要。

2.2 巷道圍巖變形特點

通過對留巷段圍巖變形分析發現，留巷段圍巖變形主要集中在窄煤柱幫及靠近窄煤柱板頂板位置，具體圍巖變形有下述特點[7]：

1）31507 回風巷頂板為砂質泥巖。當回風巷頂板支護強度不足或者受到動壓影響時，頂板巖層容易出現嚴重變形。

2）巷道開挖后導致圍巖應力重新分布，作用到頂板上的垂向應力向巷道巷幫位置轉移，加之鄰近采空區側向應力影響，導致巷幫出現一定程度應力集中的現象。其中窄煤柱留設寬度僅為8.0 m，煤柱本身承載能力較小，在較高應力作用下更容易出現變形破壞。

3）31507 回風巷凈寬、凈高分別為5 400 mm、3 600 mm，巷道跨度較大，頂板拉應力較高，加之巷道頂板巖體強度本身較低，導致頂板在應力作用下更容易出現離層變形。

3 沿空留巷巷道支護優化

3.1 支護參數設計

針對31507 回風巷已掘進段圍巖變形特征，為了確保巷道掘進期間圍巖穩定，在巷道后續掘進時對圍巖支護參數進行針對性優化，通過優化頂板錨索以及巷幫錨桿布置來實現對留巷段圍巖變形控制目的，具體優化后的巷道支護設計見圖3。

圖3 優化后的巷道支護設計圖（未標注單位：mm）

1）實體煤幫。根據留巷段圍巖松動圈測試結果顯著，實體煤幫最大松動圈分布范圍達到2.5 m，而巷道巷幫原采用的錨桿長度僅為2 000 mm，錨桿長度在松動范圍內，無法起到有效減少巷幫收斂的目的。為此，將實體煤幫錨桿規格由Φ18 mm×2 000 mm 改為Φ20 mm×2 600 mm，通過增加錨桿長度來提高圍巖控制效果。同時將實體煤幫錨桿數量由3根增加至4 根，間排距優化為900 mm×900 mm，同時靠近頂板以及巷幫的錨桿均外插15°角。保持錨索原有的支護參數不變

2）窄煤柱幫。將窄煤柱錨桿由Φ18 mm×2 000 mm 改為Φ20 mm×2 400 mm，同時靠近頂板以及巷幫的錨桿均外插15°角。錨桿數量由3 根改為4根。

3）頂板支護。頂板錨索由原支護的2 根改為3根，選用的錨索規格保持不變。錨索在靠近巷幫200 mm 位置以及頂板中部各布置一根，靠近巷板錨索有15°外插角。頂板錨桿數量以及間排距保持不變，將靠近巷幫的2 根錨桿由原有的垂直頂板布置改外外插15°角。頂板錨桿、錨索均采用鋼筋梯子梁進行連接。

3.2 圍巖支護效果分析

對支護參數優化后的巷道圍巖變形進行測定，具體結果見圖4 所示。從圖中看出，巷道掘進完成80 d 后圍巖變形量基本區域穩定，此時頂板、實體煤幫以及窄煤柱幫變形量分別控制在32 mm、41 mm、66 mm，圍巖變形量整體較小。

圖4 巷道變形測定結果

4 結論

1）31507 回風巷為沿空巷道，受到巷道掘進斷面大、圍巖承載能力差以及支護參數設計不合理等因素影響，導致巷道圍巖出現較大變形。為此，提出以強化幫角位置巖體變形為核心的圍巖支護優化方案。

2）對31507 沿空巷道圍巖支護參數進行優化設計，應用后窄煤柱、實體煤柱最大收變形量分別控制在41 mm、66 mm 以內，頂板下沉量控制在32 mm 以內，有效對沿空巷道圍巖變形進行控制，取得了較為顯著應用效果。