综放大断面巷道沿空掘进支护设计研究

张 彪

(山西西山晋兴能源有限责任公司，山西 吕梁 033602)

随着我国煤炭开采技术的不断进步和采掘设备的不断升级，煤矿朝着集约化、大型化、重型化的发展方向日益前行。由此带来的采掘衔接紧张成为困扰煤矿均衡生产的一个重要因素，其中尤以掘进衔接更为紧张[1]. 由于各采煤工作面回采周期不断缩短，对掘进效率的要求更为迫切。在实际生产过程中，往往无法等到相邻工作面采空区完全垮落密实，上覆岩层运动稳定，就开始相邻工作面的掘进工作，使得巷道在掘送期间受到上覆围岩的动载矿压影响，引起巷道顶帮变形，更有甚者，引发冒顶事故[2-3]. 以某矿23105工作面皮带巷为例，研究了综放大断面巷道沿空掘进过程中的上覆顶板运动规律，并在此基础上进行了支护参数的设计及优化[4-5].

1 工程概况

23105工作面位于某矿二水平21采区北翼，西侧为23103采空区，东侧为正在回采的23107工作面，北侧为实煤区，上覆为8#煤层18107、18105、18117采空区。地表为黄土梁、峁，大部分为黄土覆盖，基岩在沟谷中有出露；地形为中低山区，地表起伏较大，山坡较陡，盖山厚度：223～342 m.

工作面煤层平均厚度为14.5 m，煤层半亮型，条带状构造，内生裂隙发育，结构复杂，共含3层夹矸，层厚0.2～0.50 m. 煤层普氏硬度为2～3，倾角8.4°～10.4°，平均9.2°. 其上覆直接顶为泥岩，平均厚度为5.0 m，交错层理偏小，较发育，基本顶为粉砂岩，平均厚度为4.0 m，岩性特征为灰白色。23105工作面皮带巷采用EBZ-260型掘进机掘进，配套桥式转载机、带式输送机运煤，在掘进机割煤结束后，首先对空顶区域进行临时支护，然后在临时支护条件下进行永久支护。

2 巷道地质力学测试及顶板围岩结构强度观测

2.1 地质力学测试

掌握23105工作面周边的地应力水平，为23105工作面皮带巷支护参数设计提供科学的依据。由于相邻工作面为采空区无法进行测试，故该次地质力学测试地点选择在距离23105工作面较近的二水平北翼皮带大巷，测试站布置图见图1. 二水平北翼皮带大巷沿顶板掘送，虽然与23105工作面皮带巷沿底板掘送不同，但其埋深与23105工作面较为接近，可以借鉴二水平北翼皮带大巷的地应力测试结果进行分析。

图1 地质力学测试测站布置图

2.2 顶板围岩强度观测

围岩强度测试的目的在于掌握巷道围岩各煤岩层的强度，为最终确定巷道支护形式提供依据。钻孔窥视仪可以观察顶板围岩的结构，掌握顶板岩层的结构面特征，为确定锚杆锚索预应力水平提供依据。由于23112材料巷沿底板掘送，与23105皮带巷掘进方式相同，因此可借鉴23112材料巷煤岩体的结构和强度测试结果进行分析。

2.3 测试及观测结果分析

1) 测试结果分析。

根据现场实测，所测区域最大水平主应力分别为11.8 MPa、11.06 MPa，应力判别划分见表1. 按照表1可知，所测区域为中等应力值区域，原岩应力属于中低水平，对巷道稳定性影响较小。

表1 应力判别划分表

对顶板10 m范围内以及煤帮10 m范围内的煤层进行强度测试，见图2，图3.

由图2，3可以看出：

a) 顶板10 m范围内煤层强度波动较大，顶煤强度最大为31.84 MPa，最低强度仅为9.58 MPa，平均强度为23.20 MPa，普氏系数为2.3，孔口0～2.5 m裂隙发育程度较高，因此相对应的煤层强度也低。可见，围岩节理裂隙对于围岩的强度具有显著影响，除孔口位置煤层强度低外，深部煤体的强度偏高，这对于保持自身稳定性具有重要作用，顶煤的强度较高，也有利于锚索的锚固。

b) 煤帮强度测试结果显示，煤层强度最低为11.86 MPa，最大为24.9 MPa，平均强度为17.7 MPa，帮部煤层强度整体低于顶板煤体强度，但是从图3可以看出，煤层的均一性较好，强度波动幅度小，较为稳定，这对于维护巷道帮部的稳定性具有重要的作用。

图2 顶煤强度测试结果图

图3 煤帮强度测试结果图

2) 观测结果分析。

测点处顶板钻孔深度20.5 m，从钻孔孔口位置开始对顶板岩层结构形态进行连续拍摄，顶板钻孔窥视可以清晰地呈现各岩层岩性组成，以及节理裂隙的发育状况，见图4.

从图4可得出：

a) 巷道顶板2.0 m范围内煤层存在纵向裂隙，锚杆锚固施工均在此范围，因此需要对锚杆的锚固性能进行检测；而对于深部煤体，完整性好，裂隙发育程度低，锚索锚固在此范围内锚固性能良好。

b) 总体来看，顶板20.5 m范围内除浅部局部裂隙较为发育外，整体完整性好，仅从顶板完整性和稳定性来看，顶板的控制相对较为容易。

图4 顶板岩层节理裂隙发育分布图

3 巷道支护设计

3.1 支护设计原理

巷道在开挖之后，由于原岩应力平衡状态遭到破坏，巷道围岩中一定范围内的松软岩层可能发生松动和破裂现象，传统的支护理论基于锚杆挤压加固作用提出了组合梁、加固拱理论，基于锚索悬吊作用提出了悬吊、减跨作用。

由于本工作面皮带巷是沿邻近采空区掘进的，随着掘进的不断向前推进，巷道两侧煤柱内应力发生动态变化。受相邻工作面采空区动载矿压、巷道掘进和本工作面回采影响，煤柱和实体煤上方往往赋存着较大的动态支承压力，这些高集中应力是巷道产生动压现象的诱因，实体煤上覆应力一般为“驼峰”状，煤柱上覆应力一般为“拱形“”状[6]. 同时由于本工作面回采形成的超前支承压力会在煤柱上方形成数倍于原岩应力的应力，这种应力极易导致护巷煤柱的屈服和变形，影响巷道回采期间的稳定[7].采空区周围应力重分布图见图5.

1—超前支承压力 2、3—工作面方向侧向支承压力 4—工作面后方残余支承压力图5 采空区周围应力重分布图

根据上述分析，对本工作面巷道采用强顶强帮思路，强化帮部支护效果，使巷道顶板和帮部形成强有力的自承载支撑结构，保证巷道采掘时的稳定。

3.2 支护参数设计

按照强顶强帮支护设计思路对23105工作面皮带巷采用高预紧力强力树脂锚固锚索锚杆联合支护系统进行支护。根据地质力学测试结果及以往巷道支护经验，顶板支护采用d22 mm×2 600 mm左旋无纵筋螺纹钢锚杆，间排距为850 mm×900 mm，锚索采用d21.6 mm×9 000 mm预应力钢绞线，间排距为1 350 mm/1 700 mm×1 800 mm，W型钢带规格为280 mm×5 300 mm；工作面帮部支护采用d20 mm×2 100 mm全螺纹玻璃纤维锚杆，间排距为1 200 mm×900 mm，煤柱帮部支护采用d22 mm×2 600 mm左旋无纵筋螺纹钢锚杆，间排距为900 mm×900 mm，锚索规格为d21.6 mm×5 500 mm预应力钢绞线，排距为1 800 mm(每排一根)。

3.3 应用效果

通过矿压在线监测系统分析可知，顶板下沉量最大为90 mm，煤柱侧移近量最大为45 mm，实体煤侧移近量最大为39 mm，矿压在线监测图见图6. 经过现场工业性试验可知，该设计取得了良好的支护效果。

图6 矿压在线监测图

4 结 论

1) 通过地质力学测试可知,23105工作面皮带巷围岩为中等应力值区域，原岩应力属于中低水平。

2) 通过对巷道顶、帮煤层强度观测可知，顶煤强度较高，有利于锚索锚固，而帮部煤层强度整体低于顶煤强度。

3) 通过顶板钻孔窥视可以看到，巷道顶板除浅部局部裂隙较发育外，整体完整性较好，裂隙发育程度低，有利于锚索的锚固。

4) 通过对巷道应力分布的分析，采用强帮强顶的支护思路，进行了巷道支护的设计。现场实测结果表明，顶板最大下沉量为90 mm，帮部最大移近量为45 mm，可满足工作面采掘的支护需要。