邻近工作面开采影响下巷道稳定性及支护研究

徐 鹏

(霍州煤电集团有限责任公司团柏煤矿，山西 霍州 031400)

团柏煤矿回采巷道受采动影响明显，存在支护形式与参数选择不合理的现象，造成支护强度不足，不能有效限制围岩变形，致使巷道支护破坏，加大巷道维修工程量，甚至出现冒顶片帮事故，浪费支护耗材，影响开掘进度。以11-1052巷在采动影响的情况下为工程背景，提出初始设计。

1 工程概况

团柏煤矿11-105工作面所在的11号煤层平均厚度为3.3m。1052巷沿11号煤层顶板掘进，0.5m厚泥岩伪顶不予保留，伪顶之上依次是平均厚度4.2m的细砂岩和平均厚度2.3m的粉砂岩。11号煤层比较完整，裂隙节理不发育，属自燃煤层，煤尘具有爆炸性。11-1052巷与10-1171巷重叠布置，离上覆10号煤采空区10-1192巷保安煤柱12.5m。11-105工作面开切眼长为140m，其与邻近巷道的位置关系见图1。

因为要在11-1041巷旁边开掘11-1052巷，掘进期间11-104工作面开始回采，故11-1052巷将要面临和11-104工作面对穿时出现的支护困难。

图1 11-105工作面巷道布置剖面图

2 11-1052巷道稳定性分析

通过数值模拟分析11-1052巷围岩的稳定性，围岩应力分布及位移分布分别见图2和图3。

由图2知，当受到邻近11-104工作面回采影响时，水平应力在11-1052巷煤柱帮侧顶、底角处达到10～20MPa，但在整个巷帮处分布相对小些，为 0～10MPa，在顶板上为 20～30MPa，表明巷顶板容易出现水平错动，应采用高抗剪强度的锚杆进行支护。垂直应力在围岩表面为0～5MPa，顶、底角处为5～15MPa，而在煤柱侧帮深部则达到35～40MPa。

图2 11-1052巷围岩应力分布

图3 11-1052巷围岩位移分布

图3显示，巷道煤柱帮侧围岩变形严重，顶角处垂直位移和水平位移分别达到100～150mm和150～200mm，巷帮处垂直位移和水平位移分别达到50～100mm和250～330mm。显然，应重点预防顶角冒落和煤柱帮片帮。

11-1052 巷掘进时将和11-104回采面对穿，巷道对穿前系沿空留巷，对穿后变为沿空掘巷，虽然1052巷与104回采面之间留设煤柱，但由于回采影响煤柱帮变形较大，直接顶岩性较弱，顶板下沉量也不可忽视，建议加长回采时超前支护的距离，改善基础支护的强度，提升煤柱帮的稳定性。

3 11-1052巷道支护设计

3.1 巷道支护参数选取依据

（1）锚杆长度。随着锚杆长度的增加，锚杆全长中上部分和两锚杆之间中部围岩的压应力会相应减小，使锚杆预应力作用降低、主动支护性减弱。因此，为提高顶板锚杆预应力，应选用合适的锚杆长度。

（2）锚杆间排距。当锚杆间排距缩小到一定程度后，会使单根锚杆形成的锥形压应力区过度叠加，阻碍锚杆预应力的扩散，从而降低锚杆预应力作用[1-2]。所以，设计时将考虑通过增加锚杆间排距来提升锚杆预应力。

（3）锚杆角度。随着顶板角锚角度的增加，角锚杆和中部锚杆各自的压应力区逐渐分离，叠加区域越来越小，顶板支护的整体性减弱。可见小角度角锚是有宜的，故此次设计拟将角锚杆沿顶板法线布置。

（4）钢带强度。钢带实现了锚杆预应力的有效扩散，显著提高了对锚杆之间围岩的支护作用。因此，决定采用高强度钢带改善支护系统的整体支护效果[3]。

（5）锚索长度。与锚杆类似，随着锚索长度增加，两锚索之间中部围岩的压应力逐渐减小，表明锚索对其间围岩的补强作用不断减弱。现场实践表明，高预应力的短锚索比低预应力的长锚索支护效果好[4-5]。所以，高强短锚索定为本次设计首选。

3.2 巷道支护方案

综合以上分析，提出如下11-1052巷道支护方案。支护断面图见图4。

（1）顶板支护。锚杆为22#左旋无纵筋螺纹钢筋，长度2000mm，钢材屈服强度为335MPa，杆尾螺纹为M24，螺纹长度150mm，配高强度螺母。锚杆排距900mm，每排6根锚杆，间距750mm。锚固方式为树脂加长锚固，锚固长度1270mm，配CK2340和Z2360树脂锚固剂各一个。托盘为150×150×8mm的拱型高强度托盘，托盘高不低于38mm，配调心球垫和减摩垫圈。采用单体锚杆配W钢护板，规格为厚度4mm，宽280mm，长度450mm。采用10#铁丝编织的菱形金属网护顶，网孔规格为50×50mm，网片规格为4700×1000mm。锚杆预紧扭矩不低于350N·m。

锚索为Ф21.6mm，1×7股高强度低松弛预应力钢绞线，长度5300mm（层间距变厚时锚索相应加长），采用树脂加长锚固，选用一支KC2340和两支Z2360树脂锚固剂，锚固长度2000mm。锚索布置方式为“二·三”布置，间排距1600×1800mm/1500×1800mm。锚索安装在两排锚杆间顶板中部。用300×300×14mm拱形高强锚索托板，托板高不低于60mm，配调心球垫。锚索张拉预紧力200～250kN。

（2）巷帮支护。锚杆为22#左旋无纵筋螺纹钢筋，长度2500mm，钢材屈服强度为335MPa，杆尾螺纹为M24，螺纹长度150mm，配高强度螺母。锚杆排距900mm，每排每帮3根锚杆，间距1000mm。锚固方式为树脂端部锚固，采用一支规格为Z2360。钻孔直径为30mm，锚固长度为780mm。托盘及W钢护板规格同顶锚。菱形金属网孔规格为50×50mm，网片规格为2700×1000mm。 锚杆预紧扭矩不低于350N·m。

锚索为Ф21.6mm，1×7股高强度低松弛预应力钢绞线，长度4300mm，采用树脂加长锚固，采用一支KC2340和两支Z2360树脂锚固剂，锚固长度2000mm。每排每帮施工一根锚索，排距1800mm。锚索安装在两排锚杆间巷帮中部。锚索托板规格同顶锚。锚索张拉预紧力200～250kN。

4 支护效果评价

采用十字布点法安设位移计对巷道表面位移进行观测，其结果见图5。可以看出：巷道支护后23d，巷道表面变形趋于稳定，回采巷道两帮移近量为200～250mm，平均为225mm；顶板绝对下沉量为70～120mm，平均为95mm，显示巷道两帮收缩量与顶板下沉量符合巷道断面尺寸的变形要求。

通过成本核算，11-1052巷每米支护材料费用为2080.99元，见表1，与11-1042巷每米支护材料成本2240.21元相比，在保障巷道安全的前提下，节约支护材料费用159.22元，使支护成本降低7.1%。

表1 11-1052巷每米巷道支护材料成本

5 结 语

在分析11-1052动压巷道围岩应力位移分布规律基础上，发现煤柱帮受力及位移均较大，最大内移量达330mm，通过适度减小锚杆和锚索长度、加大锚杆间排距、减小顶锚角度以及采用高强度钢板等手段，提高锚杆锚索支护强度，满足动压巷道支护要求，且节约支护成本7.1%，实现了安全与经济效益的提高。

图4 11-1052巷道支护断面图

图5 巷道表面位移变化曲线