大断面沿空巷道实体煤帮加固机理及参数确定

孔 丹

(兖矿集团邹城华建设计研究院有限公司，山东 邹城 273500)

大断面沿空巷道实体煤帮加固机理及参数确定

孔 丹

(兖矿集团邹城华建设计研究院有限公司，山东 邹城 273500)

在深部综放工作面开采时，沿空掘巷的支护和维护难度大，特别是大断面沿空掘巷，支护问题更加突出。本文针对深部综放大断面沿空掘巷实体煤帮破坏范围大、鼓出严重的难题，提出了一种锚杆、金属网和长锚索联合的实体煤帮加固方法，分析了加固原理，提出了设计方法和控制对策并通过现场应用证实了这种加固方法的有效性。

大断面；沿空巷道；实体煤帮；联合；加固

0 引言

随着现代化综合机械化开采技术的发展，综采放顶煤开采、一次采全高的高产高效综采工艺得到了大面积推广应用，同时回采巷道断面也不断扩大。为提高煤炭采出率，无煤柱护巷技术得到迅速发展，沿空掘巷技术[1-6]也被越来越多的应用，但沿空掘巷时的巷道围岩变形明显大于宽煤柱护巷时的巷道变形，巷道维护比较困难[7-12]。由此，深部大断面沿空掘巷受到深部开采、大断面掘进、沿空掘进等不利因素的共同影响，支护难度显著增大，支护问题尤为突出。

虽然近年来我国煤巷锚杆支护技术得到了迅速发展，锚杆材质强度、锚杆支护强度以及锚杆支护的预紧力水平均得到较大提高[13-16]，巷道支护效果得到明显改善，但是深部大断面综放沿空掘巷的支护难题仍然没有解决。该类高地应力巷道围岩变形破坏严重，且易于出现锚杆、锚索破断失效等问题。

和以往的沿空掘巷围岩控制技术[17-18]不同，本项目主要围绕深部综放大断面沿空掘巷控制理论与技术开展研究工作，深部综放大断面沿空掘巷时，实体煤帮的水平变形很大，沿空掘巷实体煤帮长锚索加固控制机理及技术研究是本项目的重点内容。

1 项目概况

兖矿集团东滩煤矿3煤层回采巷道采用小煤柱沿空掘巷布置方式，煤柱宽度在3.5m左右。回采巷道过去采用的是矩形或梯形断面，断面面积约13 m2，支护方式多为锚网带索方式。结果，巷道变形严重，严重影响了综放高产高效开采，并且存在较大的安全隐患。

深部综放沿空顺槽一般沿着底板掘进，巷道上方的顶板依次是顶煤、直接顶和基本顶等，而且在深部综放开采时，受到产量、顺槽内的设备、通风与安全以及巷道维护等方面的限制，多选择大断面沿空顺槽，其宽度可达5 m，高度可达4 m，掘进断面积可达20 m2。由于巷道尺寸大、围岩软(除底板外为煤层)、埋深大，而且受到较强的综放开采影响，使得综放大断面沿空顺槽具有显著大变形的特征，特别是这种大变形特征具有不可抗拒性。现有的锚杆、金属网钢带及顶板锚索支护方式，对巷道围岩变形起到了一定的减缓和控制作用，但不能明显减小这种变形。因此，需要研究深部综放大断面沿空顺槽的围岩变形控制技术。

根据现场观测发现，深部综放大断面沿空顺槽的变形具有以下特征：

1)巷道变形量大，两帮移近量达3.5 m，顶底板移近量达1.5 m。

2)巷道两帮的位移明显大于顶底板的位移，两帮鼓出严重，特别是实体煤帮明显挤入巷道中，而巷道底板鼓起量较小。

3)受到综放开采的影响，巷道变形时间长，具有明显的流变特征。

由上面分析可知，沿空大断面顺槽围岩变形控制的关键是两帮位移，特别是实体煤帮的位移控制。

根据数值模拟研究结果，沿空顺槽实体煤帮破坏范围大，依靠控制范围较小的锚杆和短锚索支护，加固效果差，因此，提出高强度、大直径、长锚索结合锚网的联合加固实体煤帮的技术。

2 控制原理

目前的锚杆支护理论多是针对顶板岩层提出的，已有的针对巷道帮部的锚杆支护理论也仅仅适用于锚杆，这些理论不能很好地指导帮部的长锚索加固设计，因此，研究帮部长锚索的加固原理很有必要。以此为基础，研究长锚索结合锚网的联合加固机理。

帮部长锚索加固的目的是有效控制综放大断面沿空顺槽实体煤帮的大变形，而不是完全阻止帮部变形。帮部的变形包括巷道表面附近的松动变形和较远处的膨胀压力变形。

帮部锚网支护的作用原理是：通过锚杆的挤压加固，约束松动区煤体变形，防治松动区煤壁失稳、片帮；同时，由锚杆、网以及松动区煤体形成一个挤压加固墙，改变了松动区煤体的力学性质，提高了煤体的强度，从而一方面抵抗远处的水平压力，另一方面支撑巷道的顶板。帮部长锚索的作用原理是：将长锚索的一段固定在外应力场中的较完整煤体中，通过预紧力或托盘，约束塑性区内煤体的水平变形，减轻塑性区煤体水平压力对巷帮附近锚杆加固体的作用，使得巷道附近的实体煤与远处的煤体挤压在一起，形成一个整体。帮部长锚索结合锚网带联合支护的作用原理是：浅部通过锚杆群和菱形网形成点面结合的支护体系形成挤压加固墙，深部利用高强度大直径长锚索形成外部承载墙，二者联合形成深、浅结合的具有高强度的大厚度柔性承载结构，参见锚索、锚杆长度计算图1。

图1 沿空掘巷实体煤帮锚杆、锚索加固示意图

3 控制设计

3.1 帮锚杆

大断面沿空顺槽实体煤帮的松动范围较大，因此，应该选择直径较大、预紧力和锚固力较高、强度也较高的锚杆。在施工时应及时安装并施加预紧力，以防止煤体的松动，提高支护效果。

由实体煤帮的控制原理可知，帮锚杆的作用是抑制松动区的变形，减轻两帮煤体松动与挤出，同时，加固松动区煤体。因此，帮锚杆的长度Lg应大于松动区的宽度，计算公式如下：

Lg≥Lg1+h1tg(45°-φ/2)+Lg3[19]

式中：Lg1—锚杆外露长度；

h1—护帮高度；

φ—煤层内摩擦角°；

Lg3—锚杆通过松动区以外的最小锚固长度，取Lg3=0.35 m。

3.2 帮部长锚索

帮部长锚索是深部综放大断面沿空顺槽控制的关键器材之一，通过它可以控制实体煤帮的水平位移量，防止实体煤帮失稳。因此，选择直径大、锚固力较高、强度也较高的长锚索。

根据帮锚索的加固原理，其长度应该大于内应力场的宽度，深入到外应力场之中，如图1所示。由此，帮锚索长度Ls计算公式如下：

Ls≥Ls1+Ls2+Ls3[19]

式中：Ls1—锚索外露长度，一般取0.3 m；

Ls2—内应力场的宽度；

Ls3—锚索通过内应力场以外的最小锚固长度，至少大于1.5 m。

3.3 金属网

在实体煤帮，锚杆与锚杆之间的煤体易发生局部脱落，从而降低锚杆、锚索的支护能力。因此，在大断面回采巷道的实体煤帮采用挂网加强支护。通过金属网协调锚杆间、锚索间的受力，增加煤帮的整体性，加强对煤体控制，防止煤帮局部失稳和大范围失稳。

4 控制对策

由于深部综放大断面沿空顺槽实体煤帮塑性区范围大，变形量大，在实体煤帮控制方面可采取以下措施进行加固：

1)帮部长锚索要有足够的长度，保证锚固端深入到外应力场中，同时要求帮锚索锚固强度高、破断强度高，而且具有较强的让压性能。

2)帮部锚杆的长度应该大于实体煤帮松动区的宽度，而且要增大锚杆的预紧力，锚杆选用较高强度全螺纹钢锚杆。

3)采用顶角、底角锚杆加强顶角、底角支护，顶底角锚杆和水平方向的夹角在15°～25°。

4)采用长锚索、锚杆、金属网联合支护，长短结合、点面结合控制实体煤帮变形，施工严格按照设计的支护参数进行。

5)加强巷道矿压观测，当实体煤帮趋于不稳定时，补打锚索(杆)；个别地段松动区范围较大时，进行注浆加固；巷道不能满足生产要求时，进行刷帮处理。

6)过断层、破碎带及陷落柱时，应缩小锚杆、锚索间排距；破碎严重时，可以采取注浆处理。

5 应用效果

现场试验场地选在兖矿集团东滩煤矿1306轨道顺槽，该顺槽位置详见图2。巷道断面形状为矩形，净宽×净高=5.0 m×3.8 m。该顺槽位于-660 m水平，南邻1305综放面采空区。顺槽在3煤中沿底板掘进，采用综掘工艺。3煤平均煤厚8.80 m，f=2～3，煤层稳定。3煤直接底为厚度1.00 m～2.65 m的粉砂岩，f=4～6；直接顶为厚度0 m～11.64 m的粉砂岩，f=4～5；3煤老顶为厚度14.35 m～23.34 m的中、细砂岩，f=5～7。

在1306顺槽的实体煤帮钻孔测钻进煤粉量测试。依据钻进煤粉量和围岩应力及顶板断裂的关系分析，发现在距离巷道实体煤帮5～8m范围内，具有一个明显的钻进煤粉量降低值，该区域为内外应力场分界处。可以判断，基本顶断裂线距离巷道实体煤帮的水平距离(内应力场的宽度)平均为6.5m。

设计实体煤帮支护参数见表1，支护断面见图3。

图2 1306轨道顺槽位置示意图

图3 巷道断面及实体煤帮支护图

名 称规 格间距排距实体煤帮锚索 钢绞线；Φ22mm×8500mm15m16m帮锚杆全螺纹钢锚杆；Φ20mm×2000mm08m08m帮部金属网8#铁丝；网格长×宽：50mm×50mm支护方式锚网与长锚索联合支护

按照设计的支护参数，在1306轨道顺槽进行了实体煤帮的加固试验，发现无论是掘进期间还是回采期间，综放大断面沿空掘巷变形量得到了有效控制(最大两帮位移在1.0 m以内，实体煤帮水平位移控制在0.6 m以内，最大顶底板移近量在0.5 m以内)，使用空间大；巷道未发生冒顶、片帮、底鼓等失稳现象，巷道围岩稳定性好；巷道基本上不用返修，确保了巷道的正常使用，为综放面的安全高产高效提供了保障。与1304轨道顺槽(普通断面)相比，1306轨道顺槽大断面巷道单价(掘进及维护成本)降低3976元/m，可大大节约成本。和1304综放面相比，在实现顺槽围岩稳定后，1306综放面每月多推进30 m，多采出煤炭6.79万吨。

6 结论

1)高强度大直径强让压长锚索、高强度大直径高预紧力锚杆和金属网联合支护是深部综放大断面沿空掘巷实体煤帮变形控制的关键。

2)东滩矿1306轨道顺槽进行了新型支护体系的施工和监测，发现：无论是掘进期间还是回采期间，综放大断面沿空掘巷变形量得到了有效控制，巷道经历了较大的变形后，巷道整体稳定，能够正常使用。

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TheMechanismofReinforcementandParameterDeterminationoftheIntegratedCoalbesidetheRoadwayinLargeCross-SectionalongGoal

KONG Dan

(YankuangGroupZouchenghuajianDesignInstituteCo.,Ltd.,Zoucheng，273500,China)

Under the deep mining conditions of fully mechanized caving face, roadway support and maintenance along goal is difficult, especially in large cross-section along goaf, which support problem is particularly acute. In this paper, a combination method of bolt, metal mesh and long anchor cable to reinforce the integrated coal beside the roadway is proposed to solve the problem of large range failure and serious bulging of the integrated coal beside the roadway under the deep mining conditions of fully mechanized caving face in large cross-section along goal. The mechanism of reinforcement is analyzed. The design and control strategies of the combination method are put forward and then the effectiveness of this reinforcement method is demonstrated by field application.

Large cross-section; Roadway along goal; Integrated coal beside the roadway; Combination; Reinforcement

2015-01-17

孔丹(1989-)，男，兖矿集团邹城华建设计研究院助理工程师,主要从事煤矿设计工作。

TD353

A

1672-7169(2014)02-0060-05