采动影响留巷煤柱内沿空掘巷强力锚网索支护技术

2012-03-12秦海忠

采矿与岩层控制工程学报 2012年2期

关键词：空掘巷煤柱锚索

秦海忠

（晋城蓝焰煤业股份有限公司成庄矿，山西晋城 048000）

采动影响留巷煤柱内沿空掘巷强力锚网索支护技术

秦海忠

（晋城蓝焰煤业股份有限公司成庄矿，山西晋城 048000）

结合成庄矿4310放顶煤工作面的地质条件和生产状况，通过地质力学测试、围岩强度测定和围岩钻孔窥视全面了解了受采动影响护巷煤柱的破坏和受力状况，运用强力支护理论，阐述了留巷煤柱内沿空掘巷围岩控制原则，提出巷道支护设计，选择合理的支护材料，在4220副巷得到成功应用，有效解决了采动影响留巷煤柱内沿空掘巷的支护难题。

采动影响;留巷煤柱;沿空掘巷;强力支护

Technology of Powerful Anchored Cable and Mesh Supporting for Driving Roadway along Gob in Coal-pillar Influenced by Mining

随着现代采煤技术的不断发展，综采、综放工作面多巷道布置方法得以大面积推广应用，相邻工作面复用巷道也得到了大力发展，中厚煤层沿空巷道围岩控制技术在理论上和实践应用中得到了提高。晋城矿区无论是中厚煤层还是综放工作面回采巷道，目前均采用煤柱护巷，煤柱宽度一般在20～70m，不仅浪费大量煤炭资源，而且当煤柱尺寸选择不合理时，巷道围岩变形剧烈，顶板下沉，两帮挤出，底鼓等现象时有发生，严重影响矿井正常生产。

近年来，煤巷锚杆支护技术得到快速发展，针对不同围岩地质条件，提出了相应的锚杆支护理论。一致认为:预应力锚杆支护属于主动支护，能限制围岩的变形，改变围岩的受力状态，提高其承载能力。特别是高强度、高刚度和高预紧力锚杆支护系统能有效控制围岩体的有害变形，防止离层产生，使预应力在围岩中能有效传递，形成“刚性”顶板。采用锚杆支护亦能在综放工作面实现小煤柱护巷，由于巷道布置在应力卸压区，围岩稳定性明显好于采用大煤柱护巷的巷道，而且高强度锚杆、小孔径树脂锚索等支护手段的开发研制，为沿空掘巷支护提供了有效途径［1－2］。

本文分析动压影响下煤柱体内围岩裂隙发育和变形情况，根据强力锚杆支护理论［5］阐述了综放沿空掘巷围岩控制原理，提出支护设计，并成功应用于工程实践。

1 试验点调查及地质力学评估

晋城蓝焰煤业股份有限公司成庄矿为高瓦斯矿井，综采工作面采用大U套小U通风方式解决瓦斯问题。4310放顶煤工作面布置如图1所示。其中4220巷既作为4308工作面的回风巷，与4308工作面采空区边缘之间煤柱为35m，同时又作为4310工作面的回风巷，为相邻两个工作面服务，4220巷不但受前一个工作面回采时的采动影响，还要受下一个工作面同侧另一条巷道掘进的影响，支护难度大。

图1 4310放顶煤工作面巷道布置

成庄矿为了加快工作面布置，解决衔接紧张局面，复用留巷技术已开展多年。以前都是在实体煤侧距留巷20m处再开挖一条巷道，一是煤柱资源浪费严重，二是巷道处于应力峰值区域，维护困难。为了解决此难题，通过详细论证和认真研究，决定在4308工作面回采结束后不久，在4220巷35m留巷煤柱内沿采空区边缘掘进断面宽×高为4520mm×3100mm的4220副巷，以满足回采期间通风要求。通过理论分析和数值模拟计算，成庄矿沿空掘巷采空区侧留设合理的煤柱宽度为3～5m，但在距采空区7m左右处，4220巷与采空区之间的联络横川设有密闭墙，为了防止与采空区导通，最后确定4220副巷与采空区之间煤柱留设宽度为10m。

3号煤顶底板赋存条件复杂，直接顶为4.22m的泥岩，深灰色，含植物化石，裂隙发育，夹煤线，揭露后易风化。基本顶为11.30m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，夹有多层软质泥岩。直接底为9.58m左右的泥岩及砂质泥岩互层，深灰色，多植物化石，中部夹薄层细砂岩。3号煤厚6.03m，黑色，条带状结构，煤芯多呈块状及短柱状。

采用水压致裂地应力测试仪器在四盘区进行3个测点的原岩应力测试，最大水平主应力12.18MPa，最小水平主应力6.48MPa，垂直应力9.25 MPa，以构造应力为主。最大水平主应力方向为N18°～43.4°W，大体上属于北偏东方向。

2 围岩强度测试及结构分析

煤巷围岩极其复杂。围岩体内含有各种不同的不连续面，如节理、层理、裂隙等，还有许多微裂隙在掘进初期是闭合的，通过一段时间的扩容变形后逐渐张开，给巷道的稳定性带来很多麻烦。这些不连续面的存在显著改变了岩体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4310工作面留巷煤柱和顶板不同围岩的强度和结构进行仔细的调查和分析。

2.1 围岩强度原位测试分析

采用WQCZ－56型小孔径强度测定装置对4310工作面顶板和留巷煤柱进行了围岩强度测试。在4220巷共布置7个测站，每个测站1～2钻孔，用于测试围岩强度和窥视，钻孔位置分别位于4220副巷 1535m，1745m，1815m，2120m，2220m，2240m和2260m;其中顶板7个钻孔，煤帮6个钻孔，顶板钻孔布置在顶板中间，帮部钻孔布置在距巷道底板 1.5m处，钻孔直径 φ56mm，孔深8000mm。强度测试结果显示，随着钻孔深度的增加，围岩强度逐渐增大，岩石顶板岩体强度远高于煤层顶板和煤柱煤体强度。留巷煤柱煤体强度主要集中在10～20MPa，平均强度13.2MPa;顶板岩层强度主要集中在20～40MPa，平均强度29.7MPa，其中顶板以上砂岩部分强度较高，平均强度在80MPa以上，属坚硬顶板。2010年对成庄矿四盘区未受采动影响的顶板和煤体进行围岩强度测试，测试结果为顶板岩层平均强度44.35MPa;基本顶为中－细砂岩，强度大部分集中在80～120MPa，平均强度93.07MPa;煤体强度大部分集中在15～25MPa，平均强度为19.94MPa，煤层中硬。强度测试结果表明，留巷巷道围岩受4308工作面强烈回采动压影响后，围岩产生变形破坏，围岩内部裂隙的张开和扩容变形导致岩体强度大大减弱，在这种较低强度煤体内沿采空区掘进巷道，必须考虑支护在具有较高阻力的同时还应具有较大的变形性能，使围岩的变形能量得到释放而让压，防止支护在高支承压力作用下被破坏［4］，一旦控制不住，很有可能导致围岩的大变形，甚至产生片帮、冒顶等灾难性破坏。

2.2 煤柱围岩结构分析

钻孔窥视结果见图2～图3（35m煤柱）。

图2 4308工作面回采300m后顶板钻孔窥视

图3 4308工作面回采1200m顶板钻孔窥视

从钻孔窥视结果可知，从4220巷往采空区侧20m范围内，孔内煤体围岩裂隙十分发育，距巷道围岩表面越浅，6m范围内围岩裂隙张开和扩容变形越强烈，裂隙、裂缝极其发育;随着巷道围岩的深入，在距孔口6～8m，10～12m和孔底20m处孔壁相对比较完整，其他地方孔内煤体仍较破碎，多处钻孔已经不呈圆形。沿底板掘进的4220正巷顶板破坏严重区域为距孔口3m范围顶板煤体内，从孔口到距孔口3m之间的巷道顶板，裂隙发育，并且破碎连续，浅部岩体破碎;3～10m巷道顶板基本上没有发生破坏，孔壁完整，仅有少量的微裂隙和夹层存在，顶板整体完整。

综合分析以上窥视结果可以得出:成庄矿受到邻近回采动压的影响后，留巷煤柱内裂隙张开围岩的深度较大，扩容变形程度剧烈;留巷沿煤层底板掘进时，顶板裂隙张开主要集中顶板煤体中，岩石顶板中裂隙发育程度较小。因此，留巷煤柱内沿空巷道掘进时沿顶板掘进有利于顶板的维护，而且可提高顶板的锚固效果;沿空巷道帮部在掘进支护过程中，需要采用树脂加长锚固或全长锚固，提高锚杆的预紧力，保证锚杆能起到主动支护的作用。

3 现场试验

3.1 留巷煤柱内沿空掘巷支护设计原则

针对成庄矿4310工作面留巷巷道断面大，且煤柱围岩强度较低，煤岩体裂隙十分发育，且沿空掘巷的巷道服务年限一般较短的情况，在满足安全生产的前提下，允许巷道的收缩量比正常巷道大，掘进时考虑设备和人员通行安全，预留巷道变形量，提出了留巷煤柱内沿空掘巷的支护原则:

（1）采用高预紧力，高强度，高刚度支护系统，提高围岩强度和自身承载能力［1］，并考虑沿空掘巷上覆岩层的弹性变形是不可控制的，要求支护系统在具有较高阻力的同时具有较大的变形性能，使围岩的弹性变形能量得到释放而让压。

（2）通过辅助构件将锚杆预应力扩散到离锚杆更深更远的围岩中，提高支护系统的刚度，在支护体内形成网状结构，防止新的有害变形和顶板离层大量产生。

（3）留巷煤柱内巷道沿岩石顶板掘进更有利于保持顶板完整性，能提高锚杆的锚固效果，有利于顶板的支护;帮部围岩体裂隙比较发育，且围岩体破坏区范围较深，需采用加长或者全长锚固来保证锚杆提供较高的预紧力，提高主动支护效果。

（4）采用高强预应力锚索增强浅部承载结构的承载能力，提高预应力承载结构的稳定性。

3.2 支护材料选择

（1）由于4310工作面留巷煤柱受采动影响，煤岩体已经产生扩容变形，围岩体强度均较低，必须通过高强度、高刚度、高预应力支护系统来阻止巷道围岩强度的进一步降低，因此，要求支护材料必须具有高强度和高刚度。近年来，煤科总院开采设计分院对矿用高强锚杆支护材料进行了系列研究，并在各大矿务局得到推广应用。高强锚杆力学性能见表1［1］，从表1中可知高强螺纹钢锚杆具有较高的延伸率，保证支护承载结构能适应围岩的大变形。

表1 高强螺纹钢锚杆钢筋的力学性能

（2）锚杆预应力的作用范围是有限的，通过辅助构件如托板、W钢带、金属网等提高支护系统的刚度，能将锚杆预应力进行有效扩散。

（3）采用1×19结构的φ22mm的大直径、大延伸率、破断力达600kN的强力锚索使锚杆支护形成的预应力承载结构与深部围岩相连，充分调动围岩的自身承载能力;同时高强度锚索能施加较高的预紧力，给围岩提供压应力，与锚杆形成的压应力区组合成骨架网状结构，主动支护围岩，保持其完整性，通过锚索布置进一步增强采空区侧小煤柱的稳定性［3］。

3.3 支护设计

采用BHRB500材质的煤矿专用左旋无纵筋螺纹钢筋，加工成直径φ22mm、长度2400mm的强力锚杆。采用W钢带护顶，规格为BHW－250－4－4100－5。锚杆托板规格为150mm×150mm×10mm，锚杆要求垂直煤岩面施工，顶底角允许不超过10°的偏差，加球型垫圈调节锚杆角度，防止在螺纹处产生应力集中。采用金属网护顶，规格为5.0m×1.2m，网片要紧贴岩面，用铁丝将网片连接牢固，防止形成大的网包。

4310工作面断面为宽×高4520mm×3100mm。顶板每排布置5根锚杆，排距为1000mm，间距为950mm;帮部每排布置4根锚杆，锚杆排距为1000mm，间距为800mm。

采用加长树脂锚固的方式。每根锚杆采用1支K2335，1支Z2360的低黏度锚固剂。钻孔直径为28mm，锚固长度为1300mm。

顶板锚索:单根钢绞线，φ22mm－7300mm，每根锚索采用1支K2335，2支Z2360的低黏度锚固剂进行加长锚固;锚索呈三花布置，第1排锚索2根，第2排锚索1根，排距为1.0m，锚索预紧力250kN。

帮部锚索:单根钢绞线，φ17.8mm－4300mm，每根锚索采用1支K2335，2支Z2360的低黏度锚固剂进行加长锚固;采空区侧锚索每排1根，排距为1.0m， “之”字型布置，煤柱侧锚索排距为2.0m。锚索预紧力不低于150kN。

锚索托板规格为300mm×300mm×16mm，托板具有高强度、可调心的特点，并采用与φ22锚索配套的锁具。

3.4 矿压监测

图4 巷道围岩变形量

由图4可知，通过对巷道掘进不同位置围岩变形观测，4220副巷掘进期间围岩两帮移近量基本控制在250mm以内，顶板下沉量基本控制在100mm以内，巷道围岩变形量在巷道掘进期间均在允许变形范围内，且巷道围岩趋于稳定。表明留巷煤柱内沿空掘巷巷道采用了强力锚杆锚索支护系统，巷道围岩变形得到了有效控制，保持了巷道围岩稳定，保证了工作面安全高效回采。