孤島工作面兩巷控制技術探究

和英杰

（山西蘭花百盛煤業，山西 晉城 048400）

隨著開采深度的不斷增加，在回采孤島工作面時，會造成兩巷沿空掘進，巷道壓力較大，對巷道的維護成為孤島煤柱工作面治理的重點[1-4]。由于地質構造引起的地應力本身較為復雜，在孤島工作面頂板結構特征的影響下，應力集中程度會進一步增加，為回采巷道采掘期間的穩定控制帶來了挑戰[5-7]。兩回采巷道易陷入修復后再次變形的窘態，若再經受采動影響，則易發生冒頂等安全事故[8]。

1 概 況

唐安煤礦屬于高瓦斯礦井，主采3 號煤，該煤層無沖擊地壓危險，煤塵無爆炸性。3405 工作面東部和西部分別為3407、3403 綜放面采空區，南部緊鄰采區專用回風大巷，北部為實體煤柱。該工作面設計順槽長1 410 m，切眼175 m[2]。原設計進、回風順槽均沿煤層底板布置，矩形巷道，凈高2.7 m，凈寬4.0 m，切眼沿煤層底板布置，凈高2.7 m，凈寬6.5 m（切眼兩口處部分凈寬7 m）。采用傾斜長壁后退式綜采放頂煤工藝，全部垮落法管理采空區[3]。

唐安煤礦3407 工作面上下順槽受周邊采空區壓力影響，圍巖變形嚴重，突出表現為掘進時巷道變形較快，在巷道掘進后20 d 左右，巷道的底板鼓起量在600～900 mm，兩幫移進量達400～600 mm，導致前頭掘進，后路安排專人整修。在工作面回采時，上下端頭超前支護20 m 范圍內，頂底及兩幫收斂異常嚴重，局部斷面不足原設計巷道斷面的2/3。膠帶順槽設備較多，受巷道變形影響大，工作面推進困難，且回采工作面上下端頭20 m 的超前支護無法保證回采的安全需要。為回采的順利進行，每班需要安排專人進行臥底擴幫，嚴重制約著回采速度。

在3405 工作面設計時采用了增大巷道斷面，加強巷道支護強度的方式，控制了孤島工作面兩巷收斂變形嚴重的難題，解決了生產中的困難。

2 巷道設計方案

2.1 原設計方案

原巷道設計采用錨網索聯合支護，如圖1 所示。巷道斷面規格為凈寬×凈高=4.0 m×2.7 m。頂錨桿采用MSGLW-335/20Ⅱ（無縱肋螺紋鋼式）高強度錨桿，直徑20 mm，長2.4 m，錨桿間排距分別為850 mm、800 mm，錨桿垂直煤壁打設，頂角錨桿與煤壁成75°打設。頂錨桿配合梯子梁使用，選用長×寬×厚=3 800 mm×100 mm×16 mm的梯子梁，并沿垂直巷道方向布置，配合長×寬×厚=140 mm×120 mm×8 mm 的U36 鋼托板，孔徑為23 mm（±1 mm）。頂錨桿采用端頭錨固，采用1 卷K2335 錨固劑和2 卷Z2335 樹脂錨固劑，為了快速安裝，錨固劑可選取先快速再中速安裝，錨固力≥130 kN，螺母扭矩不低于200 N·m。

圖1 原巷道支護斷面示意Fig.1 Original support section of roadway

巷道設計垂巷打設3 趟錨索，根據巖層情況，將頂板錨索固定到老頂內1.5 m 以上計算，錨索選取直徑為21.8 mm 的高強度低松馳鋼絞線，破斷載荷為583 kN，設計錨固力為560 kN，間排距均為1.4 m。錨索配備16#b 型槽鋼配合U36 鋼托板使用，槽鋼規格為3 200 mm×160 mm×8.5 mm，托板規格140 mm×120 mm×10 mm。槽鋼垂直巷道掘進方向布置。每根錨索采用K2335 和Z2335 樹脂錨固劑各2 卷進行端頭錨固，錨索預緊力≥200 kN。

巷道兩幫采用錨桿配合梯子梁封幫，幫錨桿采用直徑18 mm，長2.2 m 的等強錨桿，配長×寬×厚=140 mm×120 mm×8 mm 的U36 鋼托板，孔徑為21 mm（±1 mm）。錨桿間排距為800 mm，錨固力≥64 kN，螺母扭矩不低于130 N·m。

護表材料選取φ6 mm 鋼筋網裱褙。

2.2 優化后設計方案

由于該工作面為孤島工作面，上下兩巷緊鄰采空區導致煤柱應力集中，在掘進及回采期間受采空區應力傳遞影響，巷道變形嚴重。為控制巷道變形，降低巷道返修率，需適當增大巷道斷面，同時提高巷道圍巖的支護強度。因此巷道斷面規格設計為凈寬4.5 m×凈高3.5 m，優化后巷道支護斷面如圖2 所示。

圖2 優化后巷道支護斷面示意Fig.2 Optimized support section of roadway

（1） 頂錨桿選取直徑20 mm，長2.4 m 的MSGLW-335/20Ⅱ高強度錨桿，配合梯形梁使用，間距850 mm，排距1 000 mm；梯形梁沿垂直巷道方向布置，規格為長×寬×厚=4 600 mm×80 mm×16 mm。

（2） 頂錨索直徑為21.8m m，長7.5 m 鋼絞線，配合規格為長×寬×厚=4 000 mm×160 mm×8.5 mm 的16#b 槽鋼使用，槽鋼垂直頂板打設，每排打設5 根錨索，配合使用長×寬×厚=120 mm×120 mm×16 mm 的鐵托盤。

（3） 兩幫支護。兩幫采用錨桿配合梯形梁封幫，幫錨桿采用直徑20 mm，長2.4 m 的高強錨桿，間距800 mm，排距800 mm，梯形梁垂直巷道布置，規格為長×寬×厚=2 800 mm×80 mm×14 mm，配長×寬×厚=150 mm×150 mm×10 mm 的鋼托盤。底根錨桿可滯后10 m，使用1 m 長梯形梁接梁垂直巷道方向打設，并根據底板高度適當調整梯形梁規格。

為控制巷道兩幫收斂變形，減少采空區應力對巷道變形的影響，在巷道兩幫打設幫錨索，幫錨索采用直徑17.8 mm，長4.0 m 的鋼絞線，選用2 卷K2335 樹脂錨固劑和2 卷Z2335 樹脂錨固劑配合錨固，為方便快速安裝，先安裝K2335 錨固劑，再安裝Z2335 錨固劑。

①上幫錨索距頂1 700 mm，錨桿錨索交替打設，即每隔一排幫錨桿打設一根幫錨索，錨索排距1 800 mm，打設在第三根錨桿位置代替幫錨桿。

②下幫錨索打設間距900 mm，排距1 600 mm，并呈邁步式打設。第一排錨索距頂1 400 mm，在兩排錨桿之間補充打設，配合梯形梁使用，梯形梁規格為長×寬×厚=2 000 mm×160 mm×8.5 mm，并可根據煤層傾角和巷道高度適當調整。

（4） 護表材料采用鋼筋網+雙抗塑料網聯合裱褙。

3 方案比較

巷道設計優化后，巷道斷面變大，并允許一定范圍內的變形，巷道頂幫均增加了支護強度。

3.1 錨桿受力情況觀測

通過安裝錨桿壓力表，對巷道頂幫錨桿受力情況進行連續觀測并統計，統計結果如圖3 所示。數據表明，巷道打設錨桿后，錨桿受力情況隨時間遞增，并在安裝20 d 后達到穩定狀態，頂板錨桿所受載荷最大值在100 kN 左右，幫部錨桿所受載荷最大值為85 kN。

圖3 錨桿所受載荷與時間變化曲線Fig.3 The change curve of bolt load and time

3.2 巷道變形情況觀測

巷道掘進后及時布置圍巖觀測站，采用十字布點法對巷道變形情況連續觀測，巷道兩幫及頂底板圍巖收斂變形情況如圖4 所示。

圖4 巷道收斂變形曲線Fig.4 Convergence deformation curve of roadway

巷道在掘后初期的前20 d 內，巷道圍巖變形最快，兩幫移近量可達28 mm/d，頂底板移近量可達20 mm/d，隨后兩幫和頂底變形量逐步變小，30 d 后趨于穩定。巷道圍巖收斂變形穩定后頂底板相對位移為160 mm 左右，兩幫相對位移為180 mm左右，巷道變形量均控制在允許范圍內，現場未見明顯底鼓現象，結果表明巷道維護效果較好，優化巷道斷面及支護方案后圍巖變形得到了有效控制。

4 結 語

唐安煤礦3405 孤島工作面兩巷為沿空掘巷，受兩側采空區應力傳遞影響，巷道布置位置屬于應力增高區，表現為巷道圍巖應力集中，巷道所承受壓力較大，為保證巷道掘進及回采期間的斷面要求，通過優化巷道斷面設計，增加兩巷支護強度，可有效控制巷道圍巖變形。具體做法為巷道支護面積由4.0 m×2.7 m 增大至4.5 m×3.5 m，支護強度由原設計的幫部等強錨桿優化為高強錨桿，為了控制兩幫收斂，增加幫錨索補強支護；頂板錨索由原設計3 根增加至5 根。礦壓觀測結果表明巷道變形由原來的掘后20 d 左右巷道底鼓達500～800 mm，兩幫收斂近300～500 mm；控制到頂底移進量最大160 mm，兩幫收斂量最大180 mm，巷道圍巖變形量得到了有效控制，滿足了巷道采掘期間的生產需要，為同地區相似條件的孤島工作面巷道變形控制提供了實踐參考。