傾斜厚煤層沿空掘巷圍巖穩定性控制技術研究

張 哲，張巨峰，李文忠，胡天輝

(1. 甘肅靖遠煤電股份有限公司 魏家地煤礦，甘肅 白銀 730913；2.隴東學院 能源工程學院，甘肅 慶陽 745000)

我國傾斜煤層綜放開采造成的煤炭損失占總煤損的44%，為此，通過留設窄小煤柱、沿空掘巷提高煤炭回采率，但是，沿空掘巷采用的小煤柱寬度一般為3～10 m，服務期間受動壓影響，巷道支護破壞嚴重，圍巖穩定性控制成為安全生產的關鍵要素。

眾多學者[1-7]對沿空掘巷圍巖穩定性控制進行了研究，多數學者認為應遵循“軟巖”巷道控制的思路，推廣應用高強度預應力錨桿支護、錨注聯合支護等技術才能提高巷道圍巖的穩定性，往往忽略了傾斜煤層沿空掘巷非對稱承載這一突出特點，實際上，傾斜煤層沿空巷道層間相對運動劇烈，塑性剪切滑移變形量大，是導致巷道失穩的關鍵因素，穩定性控制技術需要進一步探索。

魏家地煤礦一般采用8.0 m煤柱沿空掘巷，生產期間，巷道底鼓嚴重，兩幫收斂劇烈，在整個服務期間，動壓顯現劇烈，支護體失效、破壞嚴重，需要多次擴幫、起底才能滿足使用要求，2303綜放工作面傾斜厚煤層運輸和回風兩巷道采用沿空掘巷，巷道層間運動劇烈，圍巖穩定性難以控制，基于此，以2303運輸巷為研究對象，研究傾斜煤層沿空巷道圍巖控制與支護技術。

1 工程概況

甘肅靖遠礦區魏家地煤礦2303工作面位于西二采區3號煤層中，東部為1306和1308工作面采空區，北部為2301工作面采空區，頂部為2103和2105工作面采空區，西部為西二采區巷道保護煤柱，工作面設計走向1 122 m，傾斜長232.5 m，距上部一煤層采空區距離48 m，基本不受上覆煤層開采影響，總厚度為5.9～7.6 m，平均為7.5 m，煤巖層傾角為19～26°，平均為25°。煤層開采深度為452～536 m，運輸巷沿煤層底板掘進，巷道斷面為5.4 m×3.9 m(其中，直墻高1.2 m)，工作面布置如圖1所示。

圖1 2303工作面布置示意

2 巷道支護參數確定

2.1 錨桿材質

因高強高預應力錨桿的極限強度和屈服強度大，有利于圍巖穩定性控制，且桿體表面具有凹凸螺紋，更有利于錨桿和錨固劑的粘結，因此，魏家地煤礦2303運輸巷頂板和兩幫選用材質為BHRB335以上的高強高預應力錨桿。

2.2 預緊力

錨桿預緊力P與預緊扭矩M有以下關系：

P=K0M

式中：K0為轉換系數，主要與錨桿直徑、螺母外接圓直徑、螺紋升角、絲扣間摩擦系數，以及螺母和托盤間的摩擦系數相關。

D22 mm×L2 600 mm的螺紋鋼錨桿，其錨桿預緊力P與預緊扭矩M值的關系見表1。由表1可知，只有預緊力扭矩達到250 N·m，錨桿預緊力才能達到60 kN。

表1 錨桿預緊力與預緊扭矩關系

2.3 巷道錨網支護附件

巷道錨網支護除了主要的錨桿外，還應有金屬網、托盤等，巷道表面全部鋪設金屬網，托盤有200 mm×200 mm×60 mm的木托盤和125 mm×125 mm×10 mm的鐵托盤，以及#型墊板等。

2.4 巷道錨桿、錨索支護參數

1) 巷道頂板支護。拱型巷道頂部采用D22 mm×L2 600 mm高強度錨桿，間排距一般為600 mm×700 mm，每排13根，并配套1支K2360和1支Z2360樹脂藥卷進行錨固，錨桿與巷道拱型面垂直。

2) 兩幫支護。巷道兩幫采用D22 mm×L2 600 mm的高強度錨桿，間排距一般為600 mm×700 mm，每排2根，并配套1支K2360和1支Z2360樹脂藥卷進行錨固，第一排錨桿沿水平15°打設，第二排與巷幫垂直打設。

3) 錨索支護參數。巷道表面每2排錨桿打6根錨索，錨索排距為1 400 mm。煤柱幫側打設參數為D17.8 mm×L4 000 mm的3根短錨索。第一根短錨桿水平打設，一般距離底板1.0 m；第二根垂直巷幫打設，一般距離底板2.0 m；第三根沿半圓拱中心45°打設，并垂直于巷道表面。實體煤幫打設2根錨索，第一根錨索距離底板2.0 m垂直巖面安裝，參數為D17.8 mm×L7 000 mm，第二根錨索與半圓拱中心呈45°夾角垂直巖面安裝，參數為D17.8 mm×L10 000 mm。巷道拱頂中心垂直于拱頂打設1根D17.8 mm×L7 000 mm的錨索，并分別配套1支K2360和2支Z2360樹脂藥卷進行錨固，錨固長度一般為1 800 mm。

3 礦壓監測方案

3.1 巷道礦壓監測點布置

為研究深部巷道圍巖穩定性，針對典型的圍巖地質條件，進行了巷道圍巖表面位移、深部多點位移、頂板離層、煤幫應力、錨桿和錨索受力的跟蹤監測，從巷道開口每隔50 m布置1個測站，每個測站共6個測點，兩監測測點沿巷道軸向間隔0.6～1.0 m，如圖2所示。

圖2 測站與測點布置圖(mm)

3.2 巷道表面位移監測

表面位移測點布置如圖3所示，主要監測頂板下沉量、底鼓量、底板相對移近量、兩幫位移量和相對移近量等內容。

圖3 表面位移測點布置圖

每個監測斷面內采用十字布點法布置4個測點，測點通過打設D29 mm×L380 mm鉆孔，并插入D29 mm×L400 mm的木樁固定，頂板和底板木樁端部安設彎形測釘，兩幫木樁端部安設平頭測釘，用測槍、測桿或鋼卷尺進行測量，通過兩幫和頂部4個測點數據，計算頂底板收斂變化量和兩幫收斂變化量。

3.3 深部多點位移監測

采用B19接長鉆桿，D28 mm鉆頭用錨桿機在頂板中部及兩幫直墻段與拱頂交線附近處打垂直鉆孔，拱頂與實體煤幫鉆孔深度6.0 m，煤柱幫鉆孔深度4.0 m。各測點與孔口距離分別為1 m、2 m、3 m、4 m、5 m、6 m，數據處理分析后可得每個測點相對于孔底的位移，測試儀器為KDW-1型機械式多點位移計，見圖4(a)，深部多點位移測點設置如圖4(b)所示。

圖4 深部圍巖多點位移測點布置圖

3.4 錨桿和錨索軸力

分別應用MCJ-16錨桿測力計和MCJ-25錨索測力計進行錨桿軸力和錨索軸力監測，以判斷錨桿、錨索是否屈服、破斷，錨桿(索)測點布置見圖5。

圖5 錨桿軸力監測測點布置圖

4 礦壓監測結果及分析

4.1 巷道表面位移監測

2303運輸巷共布置巷道表面位移測站2個，分別距巷道開口100 m、400 m，表面位移監測曲線如圖6所示。

圖6 巷道表面位移監測曲線圖

巷道開挖后，巷道兩幫移近量和頂板下沉量均急劇加大，持續時間大約5～9 d，主要是因巷道開挖破壞了圍巖的原巖應力狀態，彈性量瞬間釋放，承載力下降，圍巖裂隙向深部延伸，形成破碎區，巷道表面位移迅速增長。隨著掘進工作的繼續，巷道圍巖變形趨于穩定，影響期一般為15 d。煤柱寬度6.0 m時，頂板下沉量為162 mm，兩幫移近量為254 mm；煤柱寬度為8.0 m時，頂板下沉量為92 mm，兩幫移近量為360 mm；煤柱寬度為9.0 m時，頂板下沉量為114 mm，兩幫移近量為595 mm，回采期間，煤幫需要補打錨桿加強支護。巷道表面位移監測曲線變化規律與數值模擬結果較為一致，煤柱寬度為6.0 m時頂板下沉量最大，但隨著煤柱寬度的增加變化不大，而兩幫劇烈收斂，至煤柱寬度為9.0 m時，需在回采期間煤幫補打錨桿加強支護。煤柱寬度為6.0 m時，圍巖控制效果好。

4.2 深部多點位移監測

共布置2組巷道深部多點位移測站，分別距巷道開口100 m、400 m，多點位移監測曲線如圖7所示。

由圖7(a)可知，深部圍巖位移的變形量整體變大，煤柱側圍巖2 m范圍松動，在2 m以外圍巖向巷道方向的移近量基本無變化，處于穩定狀態；巷道圍巖0～1 m錨固區內，最大位移量為17.1 mm，錨桿受力最大，但仍在極限范圍內；巷道圍巖1～1.5 m錨固區內，最大變形量為5.5 mm，巷道圍巖1.5～2 mm錨固區內，圍巖變形量最大為7.8 mm，仍在錨索極限范圍內，煤柱比較穩定。

圖7 煤柱側深部圍巖位移監測曲線圖

由7(b)可知，深部圍巖位移變形量整體變大，實體煤側2 m范圍松動，2 m以外的圍巖向巷道方向的移近量基本無變化，基本處于穩定狀態；巷道圍巖0～1 m錨固區內，圍巖的最大位移量為31.4 mm，錨桿受力較大，但仍處于極限范圍內；巷道圍巖1～1.5 m錨固區內，圍巖最大變形量為51.3 mm，巷道圍巖1.5～2 m錨固區內，巷道圍巖最大變形量為28.1 mm，一直處于錨桿的極限范圍內。

4.3 錨桿受力

2303運輸巷共布置巷道錨桿受力監測站2個，分別距巷道開口100 m、400 m，錨桿軸力監測曲線如圖8所示。

由圖8可知，錨桿軸力隨時間整體呈指數增長，巷道開挖5 d內，錨桿軸力增長較快，巷道開挖5 d后，錨桿軸力基本穩定。錨桿位于煤柱側，由于錨桿安裝時初始預應力較大，在巷道開挖后，煤柱部分內部應力隨著圍巖的變形破壞得以釋放，導致了前期錨桿軸力隨時間增長而減小的趨勢，其后隨著圍巖與錨桿的相互作用關系，圍巖體內的應力重新分布調整并最終達到平衡。此時，錨桿最大載荷為132.5 kN，而直徑22 mm的BHRB335材質錨桿的破斷載荷為186.3 kN，因此，錨桿還有很大承載空間，巷道安全系數高。煤柱寬度越大，錨桿整體承載越大。

圖8 錨桿受力監測曲線圖

4.4 錨索受力

2303運輸巷共布置巷道錨索受力監測站2個，分別距巷道開口100 m、400 m，錨索軸力監測曲線如圖9所示。

圖9 錨桿受力監測曲線

錨索軸力隨時間整體呈現上升趨勢，一般地，巷道開挖5 d左右，錨索軸力快速增長，主要是因為巷道開挖造成的強卸荷導致圍巖擴容變形迅速增大；當巷道開挖后大約8 d時，錨索軸力呈現出先變大后變小的情形，主要是因為巖體及錨索內部應力出現壓縮、回彈的反復狀況；當巷道開挖15 d時，錨索軸力基本處于平穩期，此時，錨桿承受的荷載最大，為150 kN，而2303運輸巷采用的D17.8 mm錨索最大載荷為300 kN，仍有150 kN的承載空間，工況良好。

5 巷道圍巖控制效果

2303工作面運輸巷沿空掘進后，圍巖穩定性控制效果良好，如圖10所示，漿層未出現開裂、脫落現象，錨網未出現網兜現象，拱頂形狀完好，未出現平頂、偏頂等變形現象。在距巷道開口400 m位置附近，煤柱幫沿直墻段與拱頂交界處鼓出約110 mm，需要補打錨桿加強支護，巷底鼓量約為400 mm，需起底1次，巷道整體維護狀態良好。

圖10 圍巖控制效果圖

6 結 語

1) 煤柱寬度為6.0 m時頂板下沉量最大，但隨著煤柱寬度的增加變化不大，而兩幫劇烈收斂，至煤柱寬度9.0 m時，需在回采期間煤幫補打錨桿加強支護。

2) 煤柱寬度為6.0 m時，圍巖控制效果好，傾斜煤層異型煤柱沿空巷道立體協控技術有效地控制了巷道圍巖變形。