碎胀煤层复用留巷支护技术

秦海忠

（晋城蓝焰煤业股份有限公司成庄矿，山西 晋城 048000）

碎胀煤层复用留巷支护技术

秦海忠

（晋城蓝焰煤业股份有限公司成庄矿，山西 晋城 048000）

通过现场调研和钻孔窥视等方法，分析受掘进扰动和采动影响时煤柱体的变化及裂隙张开、扩容变形情况；研究围岩结构对巷道围岩变形和稳定性的影响；同时借助数值计算软件，分析围岩强度和结构与围岩变形的关系，提出成庄矿5306工作面受多次采动影响下的碎胀煤层留巷巷道支护设计方案，并成功应用现场生产实践，取得了显著的支护效果。

碎胀煤层；采动影响；钻孔窥视；数值模拟

为了少掘巷道、减小煤柱损失和缓解采掘衔接紧张的难题，现多数大型煤矿均采用留巷。复用留巷巷道即巷道要经受本工作面剧烈的回采动压影响后留下来为下个工作面服务，采用何种支护方式才能确保巷道的安全使用以及后期工作面的安全回采，是困扰广大工程技术人员的一大技术难题。

1 试验点调查及地质力学评估

5306工作面东西两侧共布置四条顺槽，5211巷、5216副巷做为5306工作面的两条进风巷服务于该面；5212巷、5212副巷为工作面的两条回风巷，其中5212巷兼作辅助运输巷，5212副巷为瓦斯尾巷，5212副巷还作为5304工作面瓦斯尾巷，5211巷、5212巷沿煤层底板掘进。直接顶：4.22 m的泥岩，深灰色，含植物化石，高角度裂隙发育。老顶：11.30 m的中粒砂岩，灰色-深灰色，硅质胶结，斜层理发育，顶部为粉砂岩及细砂岩。实验室进行的煤块单轴抗压强度为30.9 MPa，强度比较大，但在井下巷道钻孔中测出的煤体强度为10.05 MPa～21.20MPa。可见，由于煤层节理裂隙，显著降低了强度。煤层直接顶为泥岩，单轴抗压强度为35.9 MPa～65.8 MPa；老顶为灰色细砂岩，单轴抗压强度为79.9MPa～91.2MPa。

成庄矿区进行过3个测站的地质力学参数测量，3个测点中σH最大为16.06 MPa，最小为12.18 MPa，3 个测站侧压系数 σH/σV分别为2.01，1.81，1.51，2.43，侧压系数均大于1，说明矿区地应力以构造应力为主。3个测站最大水平主应力方向为：N18°W，N36°E，N43.4°E和N45.9°E，大体上属于北偏东方向。

2 围岩结构和强度对围岩变形破坏影响分析

巷道围岩是一个极其复杂的地质体。与其它工程材料相比，岩体内部含有各种各样的不连续面，如节理、裂隙等，这些不连续面的存在显著改变了岩体的强度特征和变形特征，致使岩块与岩体的强度相差悬殊。因此有必要对成庄矿3号煤层的围岩结构进行仔细的调查，对不同的围岩强度对巷道的稳定性的影响进行分析。本次对成庄矿3号煤层，受回采动压影响的窥视钻孔窥视共进行了12个，如图1所示分别为对3号煤层留巷巷道的帮部和顶板进行窥视的结果。

图1 留巷巷道滞后工作面300 m处窥视照片

从图1-a可以看出，留巷巷道滞后回采工作面300 m处巷帮窥视钻孔从孔口至12 m深孔底基本都比较破碎，裂隙极其发育，多处孔内煤体破碎掉渣，中间仅有2段长不足1m的孔壁相对完整。从图1-b可以看出，留巷巷道滞后本回采工作面300 m处顶板窥视钻孔深10 m，顶板往上3.3 m窥视钻孔孔内裂隙发育，孔壁破碎，并且裂隙和破碎比较连续，3.3m至孔底，径向裂隙比较多，中间还还有2处软弱夹层。

成庄矿目前留巷巷道为普通锚杆支护的巷道，在回采之前进行锚索补强。巷道虽然成功留巷，但从窥视结果可以看出，留巷巷道经过本工作面剧烈的回采动压影响后，顶板破坏深度已经超过锚杆支护范围，巷帮距巷道表面12m范围内基本上没有完整的孔壁，破坏极其严重，在服务相邻下一个工作面回采时已经破碎的巷道围岩变形将进一步加剧，部分严重区域变形将影响巷道的安全使用。

综合分析窥视结果可以得出：成庄矿碎胀煤层在只经受本巷道掘进动压的影响时基本能满足巷道的安全使用，当受到临近巷道的掘进动压或回采动压的影响后，巷道围岩破坏比较严重，一般的锚杆支护很难保证巷道的安全使用。普通锚杆支护由于提供的轴向力与切向力仅能满足不受动压影响的巷道使用，当巷道经受临近巷道的掘进动压影响或工作面的回采动压影响后，便不能阻止不连续面产生移动与滑动。所以成庄矿早期形成的巷道尤其留巷巷道，由于受到临近巷道的掘进动压影响或工作面的回采动压影响，锚杆支护提供的力不够，导致了不连续面产生移动与滑动，最终巷道发生变形破坏。

采用FLAC3D数值模拟软件对不同围岩强度下的巷道围岩应力、变形和塑性破坏区进行分析。对于留巷巷道，两帮多为煤体，强度相对岩体较小，煤岩体强度的变化对巷帮煤体的应力分布和应力大小变化有较大影响。随着煤岩体强度的增加巷道两帮应力集中区域逐渐减小，应力集中系数明显增加，但煤岩体应力集中系数增加的速度减小。随着煤岩体强度的增加，巷道的垂直位移和水平位移基本与煤岩体强度呈线性减小。

3 复用留巷巷道支护设计原则及现场试验

3.1 复用留巷巷道支护设计原则

此留巷巷道支护设计应当遵循以下原则：

（1）提高单根锚杆与锚索的强度，在保证支护强度不低于原有支护强度和巷道安全的前提下，减小锚杆密度，降低单位面积上锚杆数量，从支护设计上提高成巷速度。

（2）提高锚固系统的整体刚度，增加锚固区抵抗变形的能力。

(3)大幅度提高锚杆的预紧力，提高锚杆控制围岩的早期扩容与离层的能力，最大限度地保持锚固煤岩体的完整性和承载能力，避免围岩产生较大的变形，使其强度过早、过快地降低。设计锚杆预紧力应达到其屈服强度的30%～40%。

(4)提高组合构件的强度与刚度。由于锚杆密度降低，锚杆间的距离增大。为了有效控制锚杆之间煤岩体的变形、松散、破坏，需要增加钢带与金属网的强度与刚度。

3.2 复用留巷巷道设计现场试验

留巷巷道支护设计：巷道采用树脂加长锚固锚杆组合支护系统，并进行锚索补强。

（1）锚杆形式和规格：强力锚杆采用BHR500材质、杆体为Φ22mm左旋无纵筋螺纹钢筋，长度2400 mm，杆尾螺纹为M24。锚固方式：树脂加长锚固，采用两支低粘度锚固剂，一支规格为K2335，另一支规格为Z2360。W钢带规格：BHW-250-3-4300-5。托板：采用拱型高强度托盘，托板规格为120 mm×120 mm×10 mm，配合球形垫圈和塑料减摩垫片。网片规格：采用金属网护顶，规格为5 000 mm×1200 mm。 锚 杆 布 置 ： 锚 杆 排 距1000mm，每排5根锚杆，间距1000mm。

（2）锚索：单根钢绞线，Φ22 mm，长度7.4 m，加长锚固，采用三支低粘度锚固剂，一支规格为K2335，两支规格为Z2360。锚索每排2根，排距为1000mm。锚索预紧力250kN。锚索托盘：采用300 mm×300 mm×16 mm高强度可调心托板及配套锁具。5212副巷锚杆支护布置，见图2。

4 支护效果检测及矿压监测

为了监测强力锚杆支护应用于井下之后巷道的支护效果，巷道掘进期间在5212副巷安装了2组表面位移测站，测站安装在距巷口1300m左右处，回采期间在5212副巷相同位置重新安装了2组表面位移测站，5212副巷掘进期间监测曲线如图3和图4所示，回采期间监测曲线，见图5和图6。

图2 5212副巷锚杆支护布置图

图5 回采期间5212副巷1号位移监测曲线

图3 掘进期间5212副巷1号位移监测曲线

图6 回采期间5212副巷2号位移监测曲线

图4 掘进期间5212副巷2号位移监测曲线

从以上监测曲线可以看出，5212副巷在掘进期间的两帮最大收缩量为21mm，其中5212正巷侧帮移近了16mm，说明5212正巷的掘进对副巷也产生了一定的影响，5212副巷的顶板没有下沉。说明强力锚杆支护很好的控制了巷道在掘进期间的变形。

5212副巷为留巷巷道，为了监测留巷巷道的表面位移变化规律，在5212副巷原测站处重新安装了两组表面位移测站。从图中可以看出，回采期间，巷道基本上从超前工作面50 m～60 m之间开始变形，在超前阶段变，两帮位移量和顶底板移近量都比较小，其中，顶底板移近量主要是底鼓量。当测站和工作面平行时，1号测站两个断面的两帮移近量分别为155 mm和156 mm，顶底板移近量分别为360 mm和339 mm；2号测站两个断面的两帮移近量分别为109 mm和92 mm，顶底板移近量分别为157mm和187mm。直到监测结束时，1号测站两个断面的两帮移近量分别为233 mm和190 mm，顶底板移近量分别为530 mm和490 mm；2号测站两个断面的两帮移近量分别为231 mm和208 mm，顶底板移近量分别为350mm和352mm。从监测数据可以看出，5212副巷两帮移近量基本上控制在240 mm以内，巷道变形主要是底鼓量大。目前5306工作面已经推进了接近2000m，测站处两帮移近量基本上都在300 mm范围之内，底鼓量控制在500 mm左右，除个别构造地段底鼓量达到1m以上以外，整条巷道的变形量能满足巷道的安全使用。

5 小结

1）对成庄矿受采动影响巷道围岩窥视结果分析可知，成庄矿碎胀煤层留巷巷道在只经受本巷道掘进动压的影响时基本能满足巷道的安全使用，当受到临近巷道的掘进动压或回采动压的影响后，巷道围岩破坏比较严重，目前一般的锚杆支护很难保证巷道的安全使用。

2）FLAC3D三维数值模拟对围岩强度与巷道围岩变形关系分析得出：随着煤岩体强度的增加巷道两帮应力集中区域逐渐减小，应力集中系数明显增加，但煤岩体应力集中系数增加的速度减小。随着煤岩体强度的增加，巷道的垂直位移和水平位移基本与煤岩体强度呈线性减小。

3）对于碎胀煤层复用留巷巷道采用强力锚杆和锚索支护技术，一方面提高锚固系统的整体刚度，增加锚固区抵抗变形的能力；另一方面通过大幅度提高锚杆的预紧力，增强锚杆控制围岩的早期扩容与离层的能力，最大限度地保持锚固煤岩体的完整性和承载能力，避免围岩产生较大的变形，成功解决了成庄矿受多次采动影响巷道支护难题，取得了显著的经济效益。

Supporting Technology of Retained Roadway in Broken-expansion Coal Seams

QIN Hai-zhong
(Chengzhuang Mine,Lanyan Coal Co.,Jincheng Shanxi 048000)

Through field investigation and borehole peering,the coal pillar,fracture opening,and expanding deformation are studied under the influence of driving disturbance and mining.The surrounding rock structure's effect on the deformation and stability is also studied.Meanwhile,with some numerical calculation softwares,the relationship between the strength and structure of surrounding rock and its deformation is analyzed.The paper presents the supporting design of retained roadway in broken-expansion coal seams in5306 working face,Chengzhuang mine,which is successfully used in the production and achieves great supporting effects.

broken-expansion coal seam;mining effect;borehole peering instrument;numerical simulation

TD353

A

1672-5050（2011）06-0027-04

2011-02-25

秦海忠（1971—），男，山西高平人，大学本科，工程师，从事采矿与管理工作。

徐树文