高应力集中区域沿空掘巷支护的研究与实践

董清旺　和吉敏

摘 要：红阳二矿为了保证矿井正常生产接续，安全高效发展，在西三采区7煤工作面的高应力集中区域沿空掘巷，通过优化巷道支护设计，取得了良好的实践效果，具有良好的推广前景。

关键词：高应力 巷道 支护技术

中图分类号：TD52 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2014）02（a）-0114-02

红阳二矿西三采区七煤煤层走向长1.08 km，倾斜方向1.67 km，自北向南倾斜，采区轨道巷、回风巷、集中运煤巷沿煤层的边缘布置，采场布置为单翼开采，共讲可设计采面5个走向长壁式采面，设计开采顺序沿倾斜依次为3700～3705。因为采面为依次开采，形成了采面后退采煤与掘进前掘相向进行的局面。又因为最大限度的回收煤炭资源，减少煤柱的占煤量，且必须考虑上一采面老空水的危害，我矿确定了下一采面的回顺与上一采面的保留10 m煤柱布置，根据大量的科学依据及我矿历史资料显示，10 m煤柱为我矿应力集中区域，因此采掘相向施工时，巷道收敛、变形量很大，十分必要对巷道的支护进行优化，为安全高效的进行煤炭生产活动提供技术支持。

1 巷道受力变形特征及原因分析

（1）巷道变形的特征：在应力集中区内开掘的巷道受上邻近采空区的影响较明显，尤其是回采过程中表现最为突出。在采用常规支护的方案时，往往是掘进期间巷道围岩变形量小于采场开采后的变形量。采动影响后，巷道围岩变形明显加大；相对于底板移近量，围岩变形主要以两帮为主，变形特征主要向巷内挤入。在掘进期间，左、右帮移近量基本一致，巷道变形在距掘进工作面50 m后趋于稳定。在回采期间，煤柱侧帮移近量明显大于另一帮。在顶底板移近量中，而在受采动影响时，巷道底鼓明显大于顶板下沉。

（2）巷道变形破坏的原因：主要是以邻近采空区应力集中的影响。我矿回采工作面的回顺（或运顺）为沿空掘巷，掘进巷道与上一区段采场煤柱为10 m。受采空区影响巷道布置邻近采空区的应力集中区的最高点。掘巷前后应力分布图见图1。

1——掘巷前应力分布；2——掘巷后应力分布；

I—松散区；Ⅱ—松驰区；Ⅲ—塑性区；Ⅳ—弹性区应力升高部分；Ⅴ—原始应力区；

x-KB0

U=k1e-λ（__________________）+ u0

B0

式中：

u——巷道围岩相对移近量，mm；x——护巷煤柱宽度，m； B0——能使巷道保持稳定状态的煤柱最小宽度，m；

u0——没有侧向支承压力影响时巷道围岩相对移近量，mm；K1、λ——待定系数；K——系数，K取1/3—1/5；

由该公式可以得出u—x的曲线关系图，如图2。由此可见围岩变形在煤柱宽度10 m左右存在最大值。因此说主要影响来自采空区的应力集中。巷道变形与护巷煤柱宽度的曲线图见图2。

2 常规支护技术的优化

2.1 常规支护技术存在的主要问题

主要问题是关键部位支护强度不够。受高应力的影响，支护体首先在较为薄弱的地方（即巷道支护关键部位）出现过量变形、岩石松动和破坏，进而形成破碎区。原来的常规支护忽视了对底膨的治理，两底脚的锚杆均为长度2.1 m左旋无纵筋螺纹钢锚杆进行支护。对于两帮没有针对受垂直压力向内挤入、防溃帮进行特殊支护。优化前巷道支护断面图见图3。

2.2 常规支护的优化

支护工艺流程：巷道掘进→顶板支护→打注帮锚杆进行护→巷道前掘30米后打煤柱帮锚索进行支护补强。

顶板支护：矩形Φ12.5 mm×4.9 m钢丝绳钢带组合锚杆支护，并进行锚索补强。∮20 mm长2400 mm的右旋无纵筋螺等强锚杆，锚杆间排距800 mm×800 mm。金属网采用10#铁线编制成，网孔70×80 mm，其规格为5×1.1 m。锚索选用7股17.8 mm×5000 mm的钢绞线扭制成，间排距2400 mm×800 mm。配用12#矿用工字钢或U型钢加工成的托盘，托盘长度250～300 mm。锚杆托盘选用7 mm厚钢板制成，规格120×120 mm，中孔21 mm。锚索采用3支Z2350树脂药卷，锚杆采用2支Z2350树脂药卷进行锚固。

帮支护：每侧帮3根长∮20 mm长2100 mm左旋无纵筋螺等强锚杆。两底脚锚杆支护加长至2.4 m。煤柱帮采用两根锚索与矩形Φ12.5 mm×4.9 m钢丝绳钢带组合补强。锚杆间排距800 mm×800 mm。优化后巷道支护断面图见图4。

3 效果检验

为了检验优化支护方案的支护效果，在巷道中布置每50 m布置一个围岩表面位移监测断面，每20 d监测一次，共监测120 d，监测结果见图4所示。从图中可以看出，巷道的顶板下沉量、底臌量、两帮位移量和顶底板位移量都不是很大，通过与常规支护的监测数据比对：其中顶板的下沉量与优化前无显著变化。两帮的底脚锚杆的加长有效的控制了底臌，底臌量由由优化前的最大350 mm，降至292 mm。两帮位移量由优化前的最大604 mm，降至267 mm。煤柱侧帮由优化前的338 mm降至145 mm，由此可见优化支护方案提高了支护结构的整体性和支撑能力，有效地控制了采空区高应力集中区域对巷道的破坏，大大减少了巷道维护量保证了巷道的稳定和矿井的正常生产。优化支护前后巷道变形量监测图见图5。

4 结语

采空区影响下的高应力集中区域内巷道的支护是一个时间、空间上的问题，即在巷道的变形过程中采用合理的支护方式进行适时支护，巷道支护的成功与否，与每个支护措施的支护顺序、位置、时间紧密相关，每个环节都很重要。针对我矿主要采用的沿空掘巷，在回采过程由于动压所产生的前支撑压力以及侧支撑压力，对巷道的破坏，通过优化巷道支护设计能够有效的控制巷道的收敛变形，取得了良好的实践效果。endprint

摘 要：红阳二矿为了保证矿井正常生产接续，安全高效发展，在西三采区7煤工作面的高应力集中区域沿空掘巷，通过优化巷道支护设计，取得了良好的实践效果，具有良好的推广前景。

关键词：高应力 巷道 支护技术

中图分类号：TD52 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2014）02（a）-0114-02

红阳二矿西三采区七煤煤层走向长1.08 km，倾斜方向1.67 km，自北向南倾斜，采区轨道巷、回风巷、集中运煤巷沿煤层的边缘布置，采场布置为单翼开采，共讲可设计采面5个走向长壁式采面，设计开采顺序沿倾斜依次为3700～3705。因为采面为依次开采，形成了采面后退采煤与掘进前掘相向进行的局面。又因为最大限度的回收煤炭资源，减少煤柱的占煤量，且必须考虑上一采面老空水的危害，我矿确定了下一采面的回顺与上一采面的保留10 m煤柱布置，根据大量的科学依据及我矿历史资料显示，10 m煤柱为我矿应力集中区域，因此采掘相向施工时，巷道收敛、变形量很大，十分必要对巷道的支护进行优化，为安全高效的进行煤炭生产活动提供技术支持。

1 巷道受力变形特征及原因分析

（1）巷道变形的特征：在应力集中区内开掘的巷道受上邻近采空区的影响较明显，尤其是回采过程中表现最为突出。在采用常规支护的方案时，往往是掘进期间巷道围岩变形量小于采场开采后的变形量。采动影响后，巷道围岩变形明显加大；相对于底板移近量，围岩变形主要以两帮为主，变形特征主要向巷内挤入。在掘进期间，左、右帮移近量基本一致，巷道变形在距掘进工作面50 m后趋于稳定。在回采期间，煤柱侧帮移近量明显大于另一帮。在顶底板移近量中，而在受采动影响时，巷道底鼓明显大于顶板下沉。

（2）巷道变形破坏的原因：主要是以邻近采空区应力集中的影响。我矿回采工作面的回顺（或运顺）为沿空掘巷，掘进巷道与上一区段采场煤柱为10 m。受采空区影响巷道布置邻近采空区的应力集中区的最高点。掘巷前后应力分布图见图1。

1——掘巷前应力分布；2——掘巷后应力分布；

I—松散区；Ⅱ—松驰区；Ⅲ—塑性区；Ⅳ—弹性区应力升高部分；Ⅴ—原始应力区；

x-KB0

U=k1e-λ（__________________）+ u0

B0

式中：

u——巷道围岩相对移近量，mm；x——护巷煤柱宽度，m； B0——能使巷道保持稳定状态的煤柱最小宽度，m；

u0——没有侧向支承压力影响时巷道围岩相对移近量，mm；K1、λ——待定系数；K——系数，K取1/3—1/5；

由该公式可以得出u—x的曲线关系图，如图2。由此可见围岩变形在煤柱宽度10 m左右存在最大值。因此说主要影响来自采空区的应力集中。巷道变形与护巷煤柱宽度的曲线图见图2。

2 常规支护技术的优化

2.1 常规支护技术存在的主要问题

主要问题是关键部位支护强度不够。受高应力的影响，支护体首先在较为薄弱的地方（即巷道支护关键部位）出现过量变形、岩石松动和破坏，进而形成破碎区。原来的常规支护忽视了对底膨的治理，两底脚的锚杆均为长度2.1 m左旋无纵筋螺纹钢锚杆进行支护。对于两帮没有针对受垂直压力向内挤入、防溃帮进行特殊支护。优化前巷道支护断面图见图3。

2.2 常规支护的优化

支护工艺流程：巷道掘进→顶板支护→打注帮锚杆进行护→巷道前掘30米后打煤柱帮锚索进行支护补强。

顶板支护：矩形Φ12.5 mm×4.9 m钢丝绳钢带组合锚杆支护，并进行锚索补强。∮20 mm长2400 mm的右旋无纵筋螺等强锚杆，锚杆间排距800 mm×800 mm。金属网采用10#铁线编制成，网孔70×80 mm，其规格为5×1.1 m。锚索选用7股17.8 mm×5000 mm的钢绞线扭制成，间排距2400 mm×800 mm。配用12#矿用工字钢或U型钢加工成的托盘，托盘长度250～300 mm。锚杆托盘选用7 mm厚钢板制成，规格120×120 mm，中孔21 mm。锚索采用3支Z2350树脂药卷，锚杆采用2支Z2350树脂药卷进行锚固。

帮支护：每侧帮3根长∮20 mm长2100 mm左旋无纵筋螺等强锚杆。两底脚锚杆支护加长至2.4 m。煤柱帮采用两根锚索与矩形Φ12.5 mm×4.9 m钢丝绳钢带组合补强。锚杆间排距800 mm×800 mm。优化后巷道支护断面图见图4。

3 效果检验

为了检验优化支护方案的支护效果，在巷道中布置每50 m布置一个围岩表面位移监测断面，每20 d监测一次，共监测120 d，监测结果见图4所示。从图中可以看出，巷道的顶板下沉量、底臌量、两帮位移量和顶底板位移量都不是很大，通过与常规支护的监测数据比对：其中顶板的下沉量与优化前无显著变化。两帮的底脚锚杆的加长有效的控制了底臌，底臌量由由优化前的最大350 mm，降至292 mm。两帮位移量由优化前的最大604 mm，降至267 mm。煤柱侧帮由优化前的338 mm降至145 mm，由此可见优化支护方案提高了支护结构的整体性和支撑能力，有效地控制了采空区高应力集中区域对巷道的破坏，大大减少了巷道维护量保证了巷道的稳定和矿井的正常生产。优化支护前后巷道变形量监测图见图5。

4 结语

采空区影响下的高应力集中区域内巷道的支护是一个时间、空间上的问题，即在巷道的变形过程中采用合理的支护方式进行适时支护，巷道支护的成功与否，与每个支护措施的支护顺序、位置、时间紧密相关，每个环节都很重要。针对我矿主要采用的沿空掘巷，在回采过程由于动压所产生的前支撑压力以及侧支撑压力，对巷道的破坏，通过优化巷道支护设计能够有效的控制巷道的收敛变形，取得了良好的实践效果。endprint

摘 要：红阳二矿为了保证矿井正常生产接续，安全高效发展，在西三采区7煤工作面的高应力集中区域沿空掘巷，通过优化巷道支护设计，取得了良好的实践效果，具有良好的推广前景。

关键词：高应力 巷道 支护技术

中图分类号：TD52 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2014）02（a）-0114-02

红阳二矿西三采区七煤煤层走向长1.08 km，倾斜方向1.67 km，自北向南倾斜，采区轨道巷、回风巷、集中运煤巷沿煤层的边缘布置，采场布置为单翼开采，共讲可设计采面5个走向长壁式采面，设计开采顺序沿倾斜依次为3700～3705。因为采面为依次开采，形成了采面后退采煤与掘进前掘相向进行的局面。又因为最大限度的回收煤炭资源，减少煤柱的占煤量，且必须考虑上一采面老空水的危害，我矿确定了下一采面的回顺与上一采面的保留10 m煤柱布置，根据大量的科学依据及我矿历史资料显示，10 m煤柱为我矿应力集中区域，因此采掘相向施工时，巷道收敛、变形量很大，十分必要对巷道的支护进行优化，为安全高效的进行煤炭生产活动提供技术支持。

1 巷道受力变形特征及原因分析

（1）巷道变形的特征：在应力集中区内开掘的巷道受上邻近采空区的影响较明显，尤其是回采过程中表现最为突出。在采用常规支护的方案时，往往是掘进期间巷道围岩变形量小于采场开采后的变形量。采动影响后，巷道围岩变形明显加大；相对于底板移近量，围岩变形主要以两帮为主，变形特征主要向巷内挤入。在掘进期间，左、右帮移近量基本一致，巷道变形在距掘进工作面50 m后趋于稳定。在回采期间，煤柱侧帮移近量明显大于另一帮。在顶底板移近量中，而在受采动影响时，巷道底鼓明显大于顶板下沉。

（2）巷道变形破坏的原因：主要是以邻近采空区应力集中的影响。我矿回采工作面的回顺（或运顺）为沿空掘巷，掘进巷道与上一区段采场煤柱为10 m。受采空区影响巷道布置邻近采空区的应力集中区的最高点。掘巷前后应力分布图见图1。

1——掘巷前应力分布；2——掘巷后应力分布；

I—松散区；Ⅱ—松驰区；Ⅲ—塑性区；Ⅳ—弹性区应力升高部分；Ⅴ—原始应力区；

x-KB0

U=k1e-λ（__________________）+ u0

B0

式中：

u——巷道围岩相对移近量，mm；x——护巷煤柱宽度，m； B0——能使巷道保持稳定状态的煤柱最小宽度，m；

u0——没有侧向支承压力影响时巷道围岩相对移近量，mm；K1、λ——待定系数；K——系数，K取1/3—1/5；

由该公式可以得出u—x的曲线关系图，如图2。由此可见围岩变形在煤柱宽度10 m左右存在最大值。因此说主要影响来自采空区的应力集中。巷道变形与护巷煤柱宽度的曲线图见图2。

2 常规支护技术的优化

2.1 常规支护技术存在的主要问题

主要问题是关键部位支护强度不够。受高应力的影响，支护体首先在较为薄弱的地方（即巷道支护关键部位）出现过量变形、岩石松动和破坏，进而形成破碎区。原来的常规支护忽视了对底膨的治理，两底脚的锚杆均为长度2.1 m左旋无纵筋螺纹钢锚杆进行支护。对于两帮没有针对受垂直压力向内挤入、防溃帮进行特殊支护。优化前巷道支护断面图见图3。

2.2 常规支护的优化

支护工艺流程：巷道掘进→顶板支护→打注帮锚杆进行护→巷道前掘30米后打煤柱帮锚索进行支护补强。

顶板支护：矩形Φ12.5 mm×4.9 m钢丝绳钢带组合锚杆支护，并进行锚索补强。∮20 mm长2400 mm的右旋无纵筋螺等强锚杆，锚杆间排距800 mm×800 mm。金属网采用10#铁线编制成，网孔70×80 mm，其规格为5×1.1 m。锚索选用7股17.8 mm×5000 mm的钢绞线扭制成，间排距2400 mm×800 mm。配用12#矿用工字钢或U型钢加工成的托盘，托盘长度250～300 mm。锚杆托盘选用7 mm厚钢板制成，规格120×120 mm，中孔21 mm。锚索采用3支Z2350树脂药卷，锚杆采用2支Z2350树脂药卷进行锚固。

帮支护：每侧帮3根长∮20 mm长2100 mm左旋无纵筋螺等强锚杆。两底脚锚杆支护加长至2.4 m。煤柱帮采用两根锚索与矩形Φ12.5 mm×4.9 m钢丝绳钢带组合补强。锚杆间排距800 mm×800 mm。优化后巷道支护断面图见图4。

3 效果检验

为了检验优化支护方案的支护效果，在巷道中布置每50 m布置一个围岩表面位移监测断面，每20 d监测一次，共监测120 d，监测结果见图4所示。从图中可以看出，巷道的顶板下沉量、底臌量、两帮位移量和顶底板位移量都不是很大，通过与常规支护的监测数据比对：其中顶板的下沉量与优化前无显著变化。两帮的底脚锚杆的加长有效的控制了底臌，底臌量由由优化前的最大350 mm，降至292 mm。两帮位移量由优化前的最大604 mm，降至267 mm。煤柱侧帮由优化前的338 mm降至145 mm，由此可见优化支护方案提高了支护结构的整体性和支撑能力，有效地控制了采空区高应力集中区域对巷道的破坏，大大减少了巷道维护量保证了巷道的稳定和矿井的正常生产。优化支护前后巷道变形量监测图见图5。

4 结语

采空区影响下的高应力集中区域内巷道的支护是一个时间、空间上的问题，即在巷道的变形过程中采用合理的支护方式进行适时支护，巷道支护的成功与否，与每个支护措施的支护顺序、位置、时间紧密相关，每个环节都很重要。针对我矿主要采用的沿空掘巷，在回采过程由于动压所产生的前支撑压力以及侧支撑压力，对巷道的破坏，通过优化巷道支护设计能够有效的控制巷道的收敛变形，取得了良好的实践效果。endprint