千米深井孤岛工作面临空巷道支护技术

张世伟

（大同煤矿集团永定庄煤业有限责任公司，山西 大同037000）

1 概述

近些年，一些煤矿相继进入深部开采阶段，甚至新建矿井首采区就超过千米，生产条件不断恶化，加之不合理的开拓、开采布置等，出现了两侧或多侧处于临空状态的孤岛煤柱工作面，巷道围岩表现出明显的高地压、大变形、难支护等问题，严重影响矿井的安全生产〔1－2〕。

孤岛工作面围岩所处应力条件的特殊性，使得临空（窄煤柱）巷道围岩控制比常规工作面更加困难。相关专家针对孤岛工作面临空巷道支护问题进行了大量研究，提出了一些针对性的支护技术，但由于巷道赋存条件和影响因素的复杂性、多变性和不确定性，巷道支护技术不尽相同〔3－6〕。根据永定庄煤业7121孤岛工作面的实际条件，基于孤岛临空巷道围岩稳定性特征及锚网索支护机理，对巷道进行巷内锚杆支护、巷顶及临空侧巷帮锚索加强支护。

2 工程概况

7121工作面位于矿井－1000m东一采区，西起工业广场保护煤柱，东至F4正断层，北为7123采空区，南临7119采空区，为两侧临空孤岛煤柱工作面。工作面标高－894.6 m～－990.0m，地面标高＋31.7m，平均采深达到1000m；工作面开采7煤层，厚1.2～4.5m，倾角0°～12°，为较为稳定煤层；工作面走向长1893m，倾斜长125m；工作面直接顶为6.20m的泥岩，基本顶为5.03m的细砂岩，直接底为4.69m的泥岩，基本底为24.4m的细砂岩；地质构造简单，工作面内部发育一条落差较大的DF2断层。

图1 工作面平面布置示意

根据工作面实际条件，7121工作面材料道和溜子道均采用临空（窄煤柱）布置形式，煤柱宽度5m，开采深度大，巷道围岩松散破碎、稳定性差、变形量大、支护难度大，给巷道支护带来巨大困难，因此有必要对巷道支护技术进行研究。

3 孤岛工作面临空巷道稳定性分析

孤岛工作面临空巷道矿压显现剧烈。临空巷道一侧为实体煤，另一侧为采空区，实体煤一侧相当于板的固支端，靠近采空区侧又有一段外伸的顶板。基本顶断裂沿工作面倾向形成的破断面弧形三角块B与实体煤侧岩体A、采空区侧块体C形成铰接的弧形三角块结构，对临空巷道围岩稳定起决定性作用，见图2。

图2 孤岛工作面临空巷道覆岩结构特征

巷道掘进期间，弧形三角块结构沿倾向基本未断裂，在其“掩护”之下，临空（窄煤柱）巷道只承受部分顶板压力，顶板岩层不仅是载荷体，而且是承载体，不但承担自身重量，还承担上覆岩层压力，在采空区侧煤体一定范围内形成降压区，弧形三角块结构对巷道掘进影响较小。在采动作用下，弧形三角块结构沿倾向发生断裂，临空（窄煤柱）巷道承受冒落带岩层的全部重量以及上覆岩层运动产生的强大压力，悬臂岩梁的回转破断引起巷道瞬间水平移动以及顶板下沉，导致巷道失稳破坏，回采期间弧形三角块结构对巷道稳定性影响较大。

4 孤岛工作面临空巷道支护技术

4.1 锚杆支护作用机理

（1）锚杆支护可不同程度提高锚固区煤岩体强度、弹性模量、粘聚力等力学参数，增加围岩自身承载力。

（2）提高围岩节理、层理、裂隙等不连续面的强度，保持围岩的整体强度、完整性与稳定性。

（3）对围岩施加一定的压应力，改善围岩应力状态，提高围岩抗拉能力、抗剪能力、屈服强度等。

（4）控制围岩的离层、滑动、张开裂隙等变形与破坏，在锚固区内形成次生承载层，最大限度保持锚固区围岩的完整性。

（5）高强度、高预应力对锚杆支护系统起着决定性作用。

（6）托板、钢带和金属网等构件可扩大锚杆作用范围，使载荷趋于均匀，同时提高护表能力，共同形成组合支护系统。

（7）锚索将锚杆形成的次生承载结构与深部稳定围岩相连，使更大范围内的岩体共同承载，提高支护系统的整体稳定性。

4.2 巷道支护技术

冒落带岩层在煤体上方沿倾向方向弯曲、下沉和断裂是造成窄煤柱临空巷道变形破坏失稳的力学根源。如何防止临空巷道上方的冒落带岩层断裂或减缓其弯曲下沉，使巷道始终处于悬臂岩梁的“掩护”之下，是根本上减轻和控制沿空巷道围岩变形的重要技术途径。为此，深井孤岛工作面临空巷道采用巷内锚杆支护、巷顶及临空侧巷帮锚索加强支护。

（1）巷内锚杆支护。巷道主体采用锚杆支护，高强螺旋钢锚杆配高强、高预应力螺母、托盘等，改善围岩受力状态，提高围岩强度；增加锚杆的长度、直径及密度，提高锚杆支护强度；顶部锚杆使顶板岩层锚固起来，提高顶板的承载力；帮部锚杆加固煤帮，增强煤体的残余强度和煤帮对顶板的支护强度。

（2）巷顶及临空侧巷帮锚索加强支护。巷道顶部及临空侧巷帮采用锚索加强支护，加长、高预应力锚索可发挥围岩的自身承载能力，形成支护–围岩共同承载体系；高强度大托板可实现锚索预应力与工作阻力的有效扩散，实现均压；顶部锚索将煤体、支护物与深部顶板相连，充分调动深部围岩的承载能力；帮部锚索进一步加强煤帮，不仅减轻巷旁支护的压力，同时提高顶板的稳定性。

5 工程实践

根据7121孤岛工作面材料道的实际条件，类比矿井其他巷道支护方式，参考国内类似条件矿井巷道支护形式，采用巷内锚杆支护、巷顶及临空侧巷帮锚索加强支护。巷道支护断面（见图3）。

1）巷道断面形状为梯形，净断面规格：下净宽×高（中）＝4500mm×2700mm，净断面积12.15m2；掘进断面规格：掘进宽×高（中）＝4700mm×2800mm，掘进断面积13.16m2。巷道采用掘进机沿煤层顶板掘进，先打锚杆进行支护，然后补打锚索加强支护。

2）巷道顶部及两帮采用左旋无纵筋螺纹钢等强锚杆及相配套的塑性减磨垫圈、等强防松螺母配合Φ12mm钢筋焊制的托梁及金属菱形网联合支护。锚杆间排距为700 mm×700mm，外露长度10～40mm，每根锚杆使用一支CK2350型树脂药卷；金属网规格为1000mm×8000mm，压茬宽度100～200mm；金属托盘规格：长×宽×厚＝100 mm×100mm×10mm。顶部锚杆Φ22mm×2400mm，每排布置8根，钢筋托梁规格为60mm×5000mm，螺母扭距为200N·m。两帮为Φ20mm×2000mm的锚杆，钢筋托梁规格为60mm×1800mm，每排布置9根锚杆，高帮6根，低帮3根，锚杆垂直巷道轮廓线，底角锚杆水平向下、顶角锚杆水平向上均不大于15°，螺母扭距为150N·m。

3）巷道顶部及临空侧巷帮采用Φ18.9mm钢绞线预应力锚索加强支护；每根锚索使用1卷CK2350和1卷Z2370树脂锚固剂，CK2350放在端头；托盘规格：300mm×300mm×15mm，锚索外露150～250mm。巷道顶板中线左、右1400mm处各布置一根长度8250mm预应力锚索，间排距2800mm×2800mm，锚索预紧力140kN。临空侧巷帮距离底板1900mm处布置一根长度为6250mm的锚索，排距2800mm，锚索水平向上与巷道成45°，预紧力为120kN。

图3 工作面支护断面

6 工作面支护效果分析

为更好的检验巷道支护效果，对巷道掘进和回采期间进行矿压观测，观测巷道顶底板及两帮移近量，每10m布置一测站，共布置3组测站，见图4。

图4 巷道顶底板及两帮移近量

结果表明：

1）巷道顶底板移近量及两帮移近量逐渐增加，变形速率逐渐降低，并慢慢趋于稳定。

2）3个监测点巷道顶底板移近量平均为95.60mm，变形速率最大为4.97mm／d，最小为0.18mm／d；巷道两帮移近量平均为95.00mm，变形速率最大为3.83mm／d，最小为0.33mm／d。

3）目前该巷道已掘进结束，巷道变形量较小，现有断面能够满足使用需要。

实践证明，该支护技术能够有效控制巷道围岩变形，具有较好的支护效果。

7 结语

1）孤岛工作面临空巷道覆岩形成的弧形三角块结构对巷道围岩稳定状态和应力条件起决定性作用。巷道掘进期间，弧形三角块结构沿倾向基本未断裂，对巷道稳定性影响较小；采动作用下，弧形三角块结构沿倾向发生断裂，巷道稳定性影响较大。

2）基于锚杆支护作用机理，根据7121孤岛工作面材料道的实际条件，巷道主体采用巷内锚杆支护、巷顶及临空侧巷帮锚索加强支护。

3）实践表明，该支护技术能够有效地控制巷道围岩变形，具有较好的支护效果，对矿井安全生产和提高经济效益具有重要意义。

〔1〕钱鸣高，石平五，许家林.矿山压力与岩层控制〔M〕.徐州：中国矿业大学出版社，2010.

〔2〕张 伟，张东升，陈建本等.孤岛工作面窄煤柱沿空掘巷围岩变形控制〔J〕.中国矿业大学学报，2014，43（1）：36－42.

〔3〕尤跟林，刘 洋，杨玉辉.窄煤柱沿空掘巷锚网梁索支护技术研究〔J〕.煤炭技术，2011，30（1）：68－70.

〔4〕宋金旺.特厚煤层综放工作面临空开采巷道围岩控制技术〔J〕.煤炭工程，2010，（11）：46－48.

〔5〕赵洪民，丁 强.沿空掘巷锚梁网索联合支护的应用〔J〕.煤矿开采，2008，13（5）：62－65.

〔6〕曹永模，华心祝，杨 科.孤岛工作面沿空巷道矿压显现规律研究〔J〕.煤矿安全，2013，46（1）：43－46.

〔7〕华心祝，马俊枫，许庭教.锚杆支护巷道巷旁锚索加强支护沿空留巷围岩控制机理研究及应用〔J〕.岩石力学与工程学报，2005，24（12）：2107－2112.

〔8〕侯朝炯.煤巷锚杆支护的关键理论与技术〔J〕.矿山压力与顶板管理，2002，（1）：2－5.