大埋深大倾角破碎顶板沿空掘巷技术研究

大埋深大倾角破碎顶板沿空掘巷技术研究

杨永峰

山东华泰矿业有限公司山东莱芜271106

华泰矿业目前主要开采扩大区三采区15层煤。三采区15层煤具有倾角大、地压大、顶板破碎的特殊地质条件，自2013年以来，矿井先后在31513东面、31511西面等工作面进风巷采用沿空掘巷技术。在试验及推广应用中，对沿空掘巷的巷道受力和变形情况以及巷道的维护状况进行了详细的观测，积累了大量的施工经验。现以近期施工的31512西工作面进风巷为例，讨论在大倾角动压影响下实施沿空掘巷的可行性及推广价值。

1工作面概况

1.1工作面进风巷的基本情况

31512西进风巷设计走向长度1050m，上部为正在回采的31511西综采工作面，进风巷埋深1142m-1024m，煤层倾角30~42°，平均35°，煤层厚度1.8~3.5m，平均2.2m，煤质硬度系数f=2-3，节理发育，性脆。因生产接续的需要，决定在31511西工作面回采的情况下沿空掘进31512西进风巷。

2工作面回风巷支护方案

2.1顶板支护方案的确定

顶板采用树脂加强锚固高强度螺纹钢锚杆支护，铺设金属网和钢筋梯子梁、采用小孔径预应力锚索加强支护，该方案主要考虑以下因素：

⑴加长锚固高强度锚杆支护系统能够提供较高的轴向和横向约束力，锚固区的岩体具有更高的强度和刚度，有效约束顶板围岩破坏和变形，并对上部顶板下沉起到限制作用。

⑵顶板锚杆通过钢筋梯子梁和金属网形成整体。防止破碎围岩冒落、共同约束锚固区内顶板的变形和破坏。

⑶小孔径预应力锚索加强支护，减小巷道顶角剪切应力，提高巷道顶板承载能力，同时将下部锚固区顶板悬吊在上部稳定围岩中，与锚杆共同作用，增加顶板的稳定性。

⑷顶板采用高强度锚杆系统、锚索支护，减小两帮煤体压力，提高巷道围岩的整体稳定性。

2.2两帮支护方案的确定

两帮采用树脂加强锚固高强度螺纹钢锚杆支护，铺设金属网和钢筋梯子梁，另增加帮锚索加强支护。该方案主要考虑以下因素：

⑴高强度螺纹钢锚杆允许锚杆有一定量的伸长，使两帮锚杆支护系统有一定的让压作用，以满足两帮强烈变形的需要。

⑵由于沿空掘巷围岩较破碎，承载能力较小，巷道维护困难；另外受到本工作面采动影响之后，超前支承压力与上区段侧向支承压力叠加作用，巷道围岩压力较大，普通圆钢及螺纹钢锚杆不能适用沿空掘巷高应力变形的特点，因此两帮采用高强度螺纹钢锚杆及锚索。

3工作面回风巷煤柱宽度的确定

31512西进风巷一侧为31511西工作面且正在回采，巷道围岩应力大，考虑巷道布置时应将巷道布置在应力较小区域；同时还要考虑围岩稳定状况，巷道煤层倾角大，如煤柱过窄，巷道围岩破碎将使锚杆不能有效锚固，因此需要确定合理的煤柱宽度。

沿采空区掘巷时，煤柱较小时巷道围岩稳定较为有利，这个规律从数值模拟得到证实，但煤柱过小如（2.5m）时，巷道围岩的位移量较大，这是由于虽然该处应力较小，但掘进及受工作面采动影响后，围岩较为破碎，锚杆锚固力降低，围岩自身承载能力较小。而煤柱宽度大于6m后，随煤柱宽度增大，巷道围岩应力增大，围岩变形量增大，不利于围岩稳定。这说明煤柱的宽度影响巷道围岩的承载性能和采空侧的顶板活动及垮落。结合本工作面煤柱宽度与巷道围岩变形关系，考虑煤层倾角及施工时的片帮因素，煤柱宽度5.5m最为有利。

4工作面进风巷支护参数的确定

4.1工作面进风巷顶板支护参数的确定

31512西进风巷顶板采用∮20mm，长2m左旋无纵筋高强度螺纹钢锚杆，每排6根，间排距800mm×800mm，每根锚杆使用1卷SS2370型树脂药卷加长锚固，铺设10m×1m金属平焊网和∮14mm圆钢焊制的钢筋梯子梁。

31512西进风巷顶板采用小孔径预应力锚索加强支护。锚索支护参数为：锚索采用的钢绞线为∮15.24mm，锚索间排距2400mm×2400mm，每排两根，根据直接顶厚度，确定锚索孔深度为6.0m，钢绞线长6.3m，每根锚索采用CK2350和Z2350各一卷树脂药卷锚固，锚固长度1.2m，锚固力不小于200kN。

4.2工作面进风巷两帮支护参数的确定

31512西进风巷两帮采用∮20mm，长2m左旋无纵筋高强度螺纹钢锚杆，每排布置8根，其中高帮5根，低帮3根，间排距700mm×800mm，每根锚杆使用1卷CK2335和Z2350型树脂药卷加长锚固、两帮均铺设金属平焊网和∮14mm园钢焊制的钢筋梯子梁。

31512西进风巷高帮采用小孔径预应力锚索作加强支护。锚索支护参数为：锚索采用的钢绞线为∮15.24mm，锚索间排距2400mm，每排1根，距巷道底板2.0m与铅垂线呈35°布置，根据煤层倾角，确定锚索孔深度为6.0m，钢绞线长6.3m，每根锚索采用CK2350和Z2350各一卷树脂药卷锚固，锚固长度1.4m，锚固力不小于200kN。

5矿压观测与支护效果分析

5.1测站设置

⑴巷道表面位移测站。锚杆支护开始设置测站，间隔50m设一个测站，连续设3个。在每个测站巷道的顶底板个两帮的中部各设置一个测点。观测方法为用测杆测量。

⑵深部围岩位移测站。锚杆支护开始设置测站，隔50m设一个测站，在每个测站顶板中部及两帮中部各安设一个深基点位移计。

⑶顶板离层监测。每隔50m在巷道顶板中部安设一个顶板离层指示仪。

⑷锚杆受力观测。锚杆支护开始50m设置一个测站，隔100m设第二个测站，共设两个测站，每个测站一个测面，观测方法为顶板采用测力锚杆观测，两帮采用锚杆液压枕观测。

5.2观测要求

顶板离层指示仪要求每班观测一次，其余内容，在测站设置两周内每天观测一次，2~4周每周观测2~3次，然后每周观测一次，变形稳定后每月观测一次。

经过2个月观测，巷道顶底板移近量最大为215mm，最小为145mm，移近量较小；两帮移近量最大为345mm，最小为230mm，两帮的相对移近量较大。这说明虽然开切眼顶底板为粉砂岩和三灰，但顶板使用树脂锚杆加长锚固高强度锚杆和小孔径预应力锚索支护，支护强度大，因此顶板下沉量较小；两帮采用支护阻力较小的木锚杆，两帮移近量较大，类似条件下应采用左旋无纵筋等强树脂锚杆加强两帮支护。

5.3观测结果

⑴巷道在未受采动影响段掘进，由于支护强度较高，煤体稳定，巷道位移及离层仅有数十mm，液压枕读数无明显变化。

⑵巷道掘进至采动影响段，超前50m范围内煤柱上帮开始出现片帮现象，煤柱显现变形，工作面推过50m后显现较剧烈变形，两帮移近量300~400mm，顶底板移近量150~200mm。

⑶巷道沿采后稳定段掘进，在采空区后方300m以外掘进，采空区顶板已趋于稳定，顶底板及两帮移近均较小，相对来说，底板底鼓量比较大。

6结论

⑴小煤柱的整体破坏和剧烈变形是巷道在相邻工作面采动后发生的现象，将导致巷道顶底板及两帮急剧位移，巷道断面缩小至施工断面的30%~50%，甚至煤柱坍塌。因此，煤柱宽度在大变形下的整体稳定性是关键。

⑵高强度螺纹钢锚杆及小孔径预应力锚索支护技术能有效支护该类巷道，通过锚网带形成的加固圈在动压作用下虽有较大变形，但整体性好，始终保持了顶板的较好形态，通过顶板及上帮锚索补强加固作用，减缓了离层量及小煤柱的破坏，避免了巷道断面的进一步缩小和小煤柱坍塌。

⑶华泰矿业31512西工作面进风巷在动压影响下沿空掘巷施工的成功，保证了矿井的采掘接续，提高了煤炭采出率，完全可以在同类条件下推广应用。