特厚煤层临近采空区动压巷道支护技术研究

陈志平，杜 林

(山西西山晋兴能源有限责任公司 斜沟煤矿，山西 太原 030001)

西山晋兴能源有限责任公司斜沟煤矿13#煤层平均厚度13.88 m，属于特厚煤层，采用综采放顶煤工艺，顺槽沿底掘送，为大断面特厚顶煤全煤巷道。13#煤埋藏深度整体较浅，多数工作面属于浅埋深开采范畴。另外，13#煤层强度较高，平均超过20 MPa，巷道掘采期间矿山压力显现很小，尽管受到最大水平主应力的影响，材料巷工作面侧帮控制难度也很小，这与正在回采的同采区23112工作面材料巷显现出的表象相吻合。由于矿井生产衔接组织，造成采区内最后一个区段23111工作面成为孤岛工作面，巷道临近采空区，受采空区的影响，巷道的稳定性会受到一定的影响，支护难度较大，因此必须予以考虑加强帮部支护。

23111工作面材料巷属于正在掘进巷道，开始掘送巷道时，23101材料巷多处出现断锚杆现象，特别是巷道出现鼓包和掉渣比较严重，巷道后期维护成本较大，所以作为相似情况的23111材料巷矿压监测很有必要，矿压监测报告评价该巷道支护初始设计的合理性，为该矿类似巷道掘进做指导。

锚杆支护施工质量检测与矿压监测是煤巷锚杆支护成套技术的重要组成部分。在23111材料巷掘进施工期间，对施工质量进行检测，同时对巷道围岩变形与破坏状况、锚杆受力及大小进行了全面、系统地监测。

1 巷道支护

1.1 支护形式

23111材料巷掘进断面形状为矩形，断面宽度5 200 mm，高度3 600 mm，掘进断面积18.72 m2. 采用高预应力强力树脂锚固锚杆锚索组合支护系统。巷道支护形式：锚索网。

1.2 支护安装要求

1.2.1顶板支护

锚杆形式、规格及布置方式见图1，图2. 树脂加长锚固，采用两支锚固剂，一支规格为MSCK2380，一支规格为MSZ2380，理论锚固长度2 033 mm，钻孔d 30 mm. 采用高强锚杆螺母M24×3，配合高强托板调心球垫和尼龙垫圈，托板采用拱型高强度托板，规格为150 mm×150 mm×10 mm，承载能力不低于325 kN. 锚杆预紧力矩≥300 N·m.

锚索形式和规格及布置方式见图1，图2. 采用1支MSCK2380和2支MSZ2380树脂药卷锚固，理论锚固长度2 928 mm；配300 mm×300 mm×14 mm型拱形高强度托板，及配套锁具。 锚索预紧力张拉锁定后为200 kN.

图1 23111材料巷临近采空区段支护图

图2 23111材料巷采空区段顶部支护图

1.2.2两帮支护

1) 工作面帮。

锚杆形式、规格及布置方式见图3. 树脂锚固，采用一支锚固剂，规格为MSZ2380，理论锚固长度845 mm，钻孔d30 mm. 锚杆预紧力矩≥40 N·m.

图3 23111材料巷采空区段工作面帮支护图

2) 临近采空区煤帮。

锚杆形式、规格及布置方式见图4. 树脂锚固，采用一支锚固剂，规格为MSZ2380，理论锚固长度1 013 mm，钻孔d 30 mm. 采用高强锚杆螺母M24×3，配合高强托板调心球垫和尼龙垫圈。托板采用拱型高强度托板，规格为150 mm×150 mm×10 mm，承载能不低于325 kN. 锚杆预紧力矩≥180 N·m.

图4 23111材料巷采空区段煤柱帮支护图

2 23111材料巷临近采空区段矿压监测结果及分析

在23111材料巷临近采空区段掘进进程中，对巷道掘进现场支护进行了综合监测和日常监测。综合监测的目的是验证或修正锚杆支护初始设计，评价和调整支护初始设计；日常监测的目的是及时发现异常情况，采取必要措施，保证巷道安全。

2.1 巷道表面位移

在23111材料巷临近采空区段设置了一个测站监测掘进期间巷道的位移状况，测站设置在巷道里程940 m处，分别监测巷道左帮、右帮和顶底板位移量状况。巷道表面位移监测数据见表1，巷道断面巷道位移折线图见图5.

表1 巷道表面位移监测数据表

由表1及图5分析可知：

测站断面的巷道顶板的最大下沉量为16 mm，底鼓量为14 mm，巷道掘进高度为3 705 mm，顶底板变形量占掘高的0.80%；两帮最大移近量为35 mm，掘进宽度为5 260 mm，两帮移近量占掘宽的0.66%.

由表1表明，巷道两帮的最大变形量为35 mm，顶底板的最大变形量为30 mm. 可以看出，两帮以及顶板都没有太大变形。巷道的变形量主要集中在掘进工作面50 m范围内，在巷道刚开挖时，围岩应力重新分配，在此过程中巷道的变形速度也较快，巷道的变形量主要受到掘进的应力重分配的影响，巷道的变形量很小，顶板较完整，巷道围岩基本上处于稳定状态。

图5 巷道断面巷道位移折线图

2.2 巷道锚杆(索)受力监测

在23111材料巷中设置了一组测站以监测锚杆(索)载荷的变化状况，测站设置在材料巷里程940 m处，测站处锚杆(索)的受力数据表和受力折线变化图见图6，图7. 测站锚杆(索)的受力数据表见表2.

图6 锚杆受力折线图

图7 锚索受力折线图

表2 测站锚杆(索)的受力数据表

锚杆预紧力矩的大小对顶板稳定性具有决定性的作用。支护设计中要求顶部锚杆预紧力矩都达到300 N·m以上，帮部锚杆预紧力矩都达到180 N·m以上，锚索预紧力要求达到200 kN.锚杆预紧力设计的原则是控制围岩不出现明显的离层、滑动和拉应力区，一般可选择锚杆杆体屈服载荷的30%～50%作为锚杆预紧力的取值。由于支护是采用杆体d 22 mm的左旋无纵筋螺纹钢锚杆，钢号400#的锚杆，其杆体屈服力为151.98 kN，计算其锚杆预紧力取值在45.59～75.98 kN较为合理，通过日常监测发现，在施工过程中，基本按照设计对锚杆施加了足够的预紧力，当然存在个别锚杆初始预紧力施加不足，通过安装的锚杆(索)测力计监测数据。由表2及图6，7分析可知：

顶板锚杆和锚索在施加完预紧力后，锚杆的轴向力分别为45.84 kN、49.59 kN、67.83 kN、46.40 kN、39.09 kN、54.10 kN、38.99 kN，锚索的轴向力分别为205.67 kN和148.09 kN，测站帮部锚杆在施加完预紧力后，锚杆的轴向力为39.73 kN、69.64 kN、37.99 kN和42.64 kN，部分锚杆预紧力水平较低。在此后检测中锚杆压力表和锚索压力表示值的增加以及趋向平稳说明巷道掘进对围岩应力重分配达到平衡状态的演变，同时，也说明部分锚杆的预紧力初始施加存在不足。

通过监测可以发现，锚杆(索)的预紧力矩在施工期间大部分达到设计要求，结合巷道表面位移监测数据和顶板离层仪表明，顶板围岩基本处于稳定状态。在以后施工中锚杆(索)的预紧力仍待提高，应克服地质条件的影响因素，重视帮锚杆预紧力。

2.3 巷道顶板离层监测

对该巷道里程930 m安设的1个顶板离层仪进行了日常监测。顶板离层仪安装完毕后，深基点初始值为0，浅基点初始值为0，在掘进过程中，没有出现明显的变化。

从日常观测数据可以看出，深基点和浅基点示值并未出现明显的增长，结合巷道表面顶板位移监测结果，说明顶板在掘进过程中没有出现离层，这是由于高预紧力的及时施加。由于所测地段巷道并没有经历过回采动压的影响，单纯是在掘进期间，顶板围岩基本趋于稳定。

3 结 论

1) 临近采空区动压巷道掘进送巷期间，从巷道整体变形看出，顶板的变形量较小，保持了较好的完整性，而变形主要是帮部和底板。

2) 顶板明显松动破坏区域主要位于顶板的浅部，基本在2.4 m范围内，此范围内煤层裂隙发育明显，出现了松动破坏的现象，目前所用锚杆长度为2.6 m，除去锚杆外露长度，可以看出顶板锚杆范围内岩层出现了破坏现象，如果锚索托盘陷入煤体或者无法压实煤体，失去效果，需要进行补强加固措施，即便是对顶板进行补强加固，补打锚杆效果将不明显，需要补打锚索。

3) 煤帮的破坏范围也主要位于煤体表面，测试为0～1.3 m煤帮破碎，两帮的移近是造成巷道底鼓最主要的原因，如果支护构件的护表面积小，护表强度低，则煤帮在变形后很难继续控制煤体的进一步破坏发展，加剧底鼓。

4) 临近采空区的残余支承压力是导致该巷道变形的主要原因，而对于临近采空区的强烈动压巷道，需加强对两帮围岩的控制，特别是对于煤柱侧巷帮，防止煤柱的进一步破碎，降低承载能力。提高帮部锚杆支护的护表面积，提高预紧力，扩大预紧力的扩散范围能够有效地控制帮部岩体的变形，同时降低“起锚”高度，防止两帮底角挤压引起底鼓。