趙樓煤礦沿空巷道錨網索支護技術研究及工程實踐

孟祥閣

（兗煤菏澤能化有限公司趙樓煤礦， 山東鄆城縣 274705）

趙樓煤礦沿空巷道錨網索支護技術研究及工程實踐

孟祥閣

（兗煤菏澤能化有限公司趙樓煤礦， 山東鄆城縣 274705）

摘 要：為解決趙樓煤礦沿空巷道安全掘進的難題，在大量現場調研基礎上，結合該礦及鄰近礦井沿空巷道支護經驗，提出了“穩頂控幫”的沿空巷道掘進支護思路，即：采用錨網帶基本支護，配合縱向錨索鋼帶梁穩定頂板；采用錨網梯基本支護及縱向布置錨索梯控制幫部。礦壓觀測結果表明，采用穩頂控幫支護技術后，3303軌順沿空巷道兩幫移近量及頂板下沉量均得到了有效控制，滿足了工作面回采對沿空巷道的斷面要求，為趙樓煤礦后續沿空巷道的支護設計提供了參考依據。

關鍵詞：沿空巷道；錨網支護；穩頂控幫；礦壓觀測

0 引 言

沿空掘進巷道分為完全沿空掘巷和留設小煤柱沿空掘巷［1］。前者煤炭資源回收率更高，但存在與采空區連通，不利于封閉采空區有毒有害氣體和積水等問題，而且巷道掘進時支護難度大，故在實際生產中完全沿空掘巷應用極少。留設小煤柱沿空掘巷不僅能封閉采空區積水及有毒有害氣體，而且能提高巷道掘進速度和改善巷道支護質量，在實際生產中得到了廣泛應用。

在煤炭資源日益減少的今天，國內外各煤礦企業對提高煤炭回收率都非常重視。留設小煤柱沿空掘巷支護技術是當前提高煤炭資源回收率所有技術中應用最為成熟的技術之一。本文結合趙樓煤礦以往沿空巷道變形特點，分析確定了沿空巷道錨網索支護參數，并在該礦3303工作面沿空順槽進行了工業試驗。

1 試驗巷道地質條件

試驗巷道為趙樓煤礦3303工作面軌道順槽。3303工作面為該礦三采區第二個綜放工作面，東臨3302工作面采空區。3303工作面軌道順槽沿3302工作面采空區掘進，為趙樓煤礦第三個沿空掘進巷道。根據3302軌道順槽在實際掘進過程揭露的地質情況分析，3303軌道順槽在掘進過程中將依次揭露兩條正斷層，落差分別為10.0m和2.6m。其中，落差10m的斷層對掘進施工影響較大，而且斷層周圍煤巖結構較為破碎，原巖應力集中，可能發育伴生小構造。該區域煤層厚度為3.3～5.1m，平均4.2m，直接頂為灰白色、淺灰綠色細砂巖和黑色粉砂巖，直接底為灰黑色泥巖，3303軌道順槽地質柱狀圖見圖1。

2 沿空掘巷支護中的幾個關鍵問題分析

沿空掘巷是煤礦井下回采巷道的一種，一般在相鄰工作面推過半年以上或相應距離間隔后開始沿采空區邊緣掘進。沿空掘巷支護問題的研究主要包括以下幾個方面：一是沿空掘巷上覆巖層活動規律的分析；二是沿空掘巷煤柱合理寬度的確定；三是沿空掘巷圍巖控制技術的研究。

侯朝炯、李學華、柏建彪等提出了“大-小結構”概念，并建立了沿空掘巷基本頂弧形三角塊結構力學模型［2-3］。其中，“大結構”是指巷道上覆巖層結構，包括頂煤、直接頂、老頂及作用在老頂上的載荷巖層，該結構在基本頂巖層斷裂后逐漸趨于穩定；“小結構”是指沿空掘巷錨桿與錨固范圍內圍巖形成的承載結構。沿空掘巷在“大結構”穩定的前提下，“小結構”自身的變形特征及穩定性是決定巷道最終能否穩定的關鍵。

沿空掘巷根據煤柱留設寬度可以分為3類，即完全沿空掘巷、留窄煤柱沿空掘巷、留寬煤柱沿空掘巷。工作面完全沿空掘巷雖然掘進巷道處于最佳的受力狀態，但是在實際運用中，由于采空區的水和瓦斯及其冒落的巖石會對巷道的正常掘進構成威脅，而且也給掘進通風造成一定的影響，因此一般不采用完全沿空掘巷。國內外學者對煤柱的寬度及穩定性做了大量的基礎研究工作，但對煤柱寬度的合理值未達成共識，煤柱的合理值從1～5m直到20～30m不等［4］。當煤柱寬度較窄時，認為無法保證煤柱的穩定和巷道的安全；當煤柱寬度較大時，有可能使新掘的巷道處于采空區側向支承壓力增高區內。因此，選擇合理的護巷煤柱寬度是沿空掘巷的關鍵環節，合理的煤柱寬度能夠使巷道始終處于采空區側向支承壓力降低區內，而且能夠最大限度的回收煤炭資源，避免資源浪費。柏建彪、侯朝炯［5］的研究認為，采用高強度錨桿支護的窄煤柱在沿空掘巷圍巖承載結構中起著重要支撐作用，改變了以往認為窄煤柱支撐能力小的觀點。侯朝炯、勾攀峰［6-7］提出錨桿支護圍巖強度強化理論，該理論加深了對錨桿支護機理、錨桿與圍巖相互作用關系的認識，推動了沿空掘巷錨桿技術的進步。

目前，應用于沿空掘巷圍巖控制的技術與措施有很多，如錨桿索支護技術、錨索梁支護技術、高預應力強力支護系統、注漿加固技術以及讓壓支護技術等。由于趙樓煤礦煤層賦存條件及巷道圍巖特性的差異很大，單純借鑒現有的圍巖控制技術難以制定出有效的支護方案。因此有必要通過分析該礦已有沿空巷道圍巖變形破壞特征，制定出一套適用于該礦的沿空掘巷支護體系，為該礦沿空巷道的安全、快速掘進提供理論支持和技術保障。

圖1　3303軌道順槽地質柱狀圖

3 窄煤柱沿空掘巷支護方案設計

3.1沿空掘巷支護思路

通過對趙樓煤礦已掘沿空巷道的礦壓觀測資料分析可知，頂板下沉和兩幫位移是沿空掘進巷道變形破壞的關鍵點，也是巷道支護的重點。為了提高支護方案的針對性與實用性，結合該礦已掘沿空巷道圍巖變形特點，提出了穩頂控幫的沿空巷道掘進支護思路，即采用錨網帶基本支護，配合縱向錨索鋼帶梁穩定頂板；采用錨網梯基本支護及縱向布置錨索梯控制幫部。

3.2沿空掘巷煤柱留設寬度的確定

根據趙樓煤礦已掘沿空巷道的礦壓觀測資料并參照臨近礦井沿空順槽煤柱留設寬度，本著最大限度回收煤炭資源的原則，確定沿空掘巷煤柱為3.5m。巷道斷面為矩形，凈斷面尺寸為：寬×高=4800mm×3800mm。

3.3沿空掘巷頂板支護方案

巷道頂板采用 6根 Φ22mm×2400mm的KMG500左旋無縱筋螺紋鋼錨桿配合4800mm×275mm×3.75mm的W型寬鋼帶，護網采用5000mm× 1000mm的8#鍍鋅鐵絲菱形網，錨桿間排距850mm ×800mm，肩窩錨桿按照向頂板傾斜15°施工。

頂板錨索采用“2-1-2五花型”布置，間排距為1600mm×1600mm，兩側錨索向兩幫傾斜15°布置，在頂板巷中和沿空側布置兩排縱向W型寬鋼帶，兩排縱向鋼帶交錯布置，錨索選用Φ22mm×6200mm高強度低松弛預應力鋼絞線及配套鎖具。頂板支護俯視圖如圖2所示。

圖2　頂板支護俯視圖

3.4沿空掘巷幫部支護方案

（1）幫部錨桿：巷道兩幫各采用5根Ф20mm× 2000mm的KMG400左旋無縱筋全螺紋錨桿配合3200mm×60mm的Ф12mm鋼筋梯，護網采用3500mm×1000mm的8#鍍鋅鐵絲菱形網，錨桿間排距800mm×800mm，肩窩錨桿按照向頂板傾斜15°施工，幫腳錨桿按照向底板傾斜30°施工。巷道支護斷面如圖3所示。

圖3　巷道支護斷面

（2）幫部錨索梁：巷道兩幫部在距頂板1000mm和底板1500mm高度位置各布置兩排縱向Φ16mm鋼筋梯錨索梁，鋼筋梯長2400mm，1梯2索，錨索間距1600mm，除窄煤柱側下部選用Φ22mm× 3500mm錨索外，其余全部選用Φ22mm×6200mm錨索。幫部支護側視圖如圖4所示。

圖4　幫部支護側視圖

4 工程實踐及礦壓觀測結果分析

3303軌道順槽全長約810m，實際掘進工期為79 d，為進一步優化支護設計參數，掘進后即對巷道實施了礦壓觀測。采用穩定控幫的支護方案后，3303軌道順槽支護狀況與之前沿空順槽支護方案相比有了顯著改善。在為期近3個月的巷道表面位移觀測中，自巷道開掘后前5 d變形幅度比較大，10 d后圍巖變形基本趨于穩定，巷道表面收斂速率由最初的3.2mm/d逐漸降至0.06mm/d。由此不難發現，巷道掘進中的變形可以分為以下3個階段：一是加速變形階段（巷道掘進后前5 d），二是恒速變形階段（巷道掘進后5～10 d），三是相對穩定階段（巷道掘進10 d后）。

5 結 語

沿空巷道因其位置的特殊性，往往在掘進后就出現大變形，不能對工作面安全高效回采提供有效的通風行人斷面。本文結合趙樓煤礦以往沿空巷道的變形特點，提出了“穩頂控幫”的沿空巷道掘進支護思路。工業試驗表明，“穩頂控幫”的支護方案有效控制了沿空巷道的變形，取得了預期的支護效果，為該礦后續沿空巷道的支護設計提供了可借鑒的工程實例。

參考文獻：

［1]于守財.淺析沿空掘巷技術及其發展［J］.民營科技，2012 （2）：47-49.

［2]侯朝炯，李學華.綜放沿空掘巷圍巖大、小結構的穩定性原理［J］.煤炭學報，2001，26（1）：1-7.

［3]柏建彪.沿空掘巷圍巖控制［M］.徐州：中國礦業大學出版社，2008.

［4]王 成，韓亞峰，杜澤生，等.沿空掘巷圍巖控制技術的發展與展望［J］.煤炭開采，2014，19（4）：1-4.

［5]柏建彪，侯朝炯.沿空掘巷窄煤柱穩定性數值模擬研究［J］.巖石力學與工程學報，2004，23（20）：75-79.

［6]侯朝炯，勾攀峰.巷道錨桿支護圍巖強度強化機理研究［J］.巖石力學與工程學報，2000，19（3）：342-345.

［7]侯朝炯，郭勵生，勾攀峰.煤巷錨桿支護［M］.徐州：中國礦業大學出版社，1999.

收稿日期：（2016-03-26）

作者簡介：孟祥閣（1986-），男，山東鄒城人，助理工程師，碩士學位，現在兗煤菏澤能化有限公司趙樓煤礦從事礦井設計工作，Email：msgtg@163.com。