综采工作面采动压力影响下巷道支护技术研究

袁亚文

(陕西陕煤黄陵矿业有限公司，陕西 延安 727307)

0 引言

煤矿综采工作面在回采过程中，回采巷道受到采动压力影响，围岩受到明显扰动，巷道收敛变形较大，甚至造成围岩破坏，大大降低围岩稳定性。王金华[1]应用 FLAC3D数值模拟软件，研究了煤巷变形特点与主要影响因素，提出锚杆(索)载荷对改善煤巷围岩受力状态起到的关键作用；常聚才等[2]针对锚杆预紧力对岩石巷道支护效果的影响，理论推导出了巷道围岩位移、应力分布与锚杆预紧力之间的关系；李书民等[3]采用理论分析和工程类比的方法，研究了深部大断面高应力下煤巷联合支护技术，指出提高锚杆预应力，加强锚杆、锚索支护能降低巷道围岩受力变形，增强巷道的稳定性。

在综采工作面超前支承压力作用下，巷道收敛严重，顶板支护失效较多，严重影响综采工作面安全回采。以黄陵矿业公司一号煤矿805工作面回采期间设置观测点为例，分析巷道受到采动压力影响而变形破坏的原因，提出锚杆(索)联合支护方案，通过现场工业试验进行研究。

1 概况

黄陵一号煤矿地处陕西省黄陇侏罗纪煤田黄陵矿区的东北部，隶属于黄陵矿业有限公司，位于陕西省黄陵县店头镇，是国家“八五”重点建设项目和20项兴陕工程之一。一号煤矿煤炭资源丰厚，井田面积197.5 km2，地质储量4.4亿t，可采储量3.5亿t，采用平硐单水平分区式开拓方式，走向长壁采煤法，全部垮落法管理顶板，矿井生产能力为0.6 Mt/a。

805工作面位于八盘区西翼，东接八盘区进风巷，南部为803工作面，西部为井田边界。工作面对应上覆地表为低山林区，回采对地面无影响。工作面布置两条回采巷道，其中805进风顺槽1 365 m，回风顺槽1 360 m，工作面宽度235 m，煤层平均厚度3.4 m，2号煤为工作面范围内唯一可采煤层。覆岩老顶为深灰色、细密、较硬的细粒砂岩，平均厚度11.6 m，中厚层状，有断续波状层理，具黑色条带，端口不平，层面富集云母碎片。直接顶为灰黑色、薄层状的砂质泥岩，平均厚度5.6 m，中下部有黄铁矿薄膜，为不稳定、易冒落顶板。伪顶主要为薄层状泥质粉砂岩或砂质泥岩，厚度均在0.5 m以下，随采随落。

2 巷道支护机理

2.1 受采动压力影响巷道围岩变形力学因素分析

综采工作面回采导致上覆岩层的原岩应力场的平衡状态失去稳定，工作面采空区上覆岩层压力重新分布，在采空区周围形成新的支承压力带(应力分布如图1所示)，应力不仅集中在周围煤柱上，还会继续向底板深处传递。根据最大水平应力理论，在围岩层状特征突出的回采巷道内，铅垂应力向两帮转移，主要显现于两帮，导致两帮的破坏；水平应力向底板转移，主要显现于底板岩层，表现为巷道底鼓。因此，需要借助锚杆(索)联合支护来控制巷道围岩变形。

1-工作面前方支撑压力；2、3、4-沿倾斜、沿仰斜及工作面后方支撑压力

2.2 锚杆(索)对围岩的支护作用

锚杆支护的作用是尽量让围岩处在受压状态，最大程度地使锚固区围岩保持稳定，阻止锚固区围岩破坏范围扩大，不让巷道出现剪切、拉伸破坏与弯曲变形，提高巷道周围岩层的稳定性与整体强度[4-7]。

锚索支护一方面是因为锚索产生的强大作用力，使岩体中的不连续面互相挤压，使围岩的整体性提高，抗剪强度增加；另一方面，通过锚索将锚杆形成的加固体与深部岩体连成一个整体，由此岩体的承载范围加大，承载能力极强。

锚杆、锚索联合支护不是单一支护的简单叠加，而是通过对不同层位岩体的支护耦合，实现对围岩的变形协调，从而限制围岩产生的有害变形，提高支护体的力学参数(弹性模量、等效内聚力、等效内摩擦角)，改善被支护岩体的力学性能；使巷道围岩处于峰后区围岩强度得到强化，提高峰值强度和残余强度；同时可改变围岩应力状态，提高围岩承载能力，减少巷道周围破碎区、塑性区的范围和巷道表面位移，控制围岩破碎区、塑性区的发展，从而达到巷道稳定的目的。

3 确定支护方案及支护参数

3.1 确定支护方案

锚杆支护利用锚杆、锚固剂及其护表构件给围岩一定的支护强度，与围岩组成支护体系，承受各种围岩应力和采动应力。锚索具有锚固深度大、锚固力大、可施加较大预紧力的优点，端部锚索主要起悬吊作用，通过施加较大的预紧力，挤紧和压实岩层中的层理、节理、裂隙等不连续面，增加不连续面之间摩擦力，从而提高围岩的整体强度[8]。

巷道掘进后安装锚杆，形成锚-岩支护承载体，通过锚-岩支护承载体发生大变形，可释放围岩变形能，然后通过锚索联合支护，提高整体稳定性，整个过程，既可起到柔性卸压作用，又可发挥支护体各自优势。只要保障锚杆、锚索材质、支护构件强度、支护预紧力及支护时间到位，可大大改善锚杆支护的性能，达到控制破碎围岩大变形的目的。配合使用钢带和网片，确保锚杆预紧力均衡分布，阻止围岩松动圈由浅向深扩大，提高支护的整体性。

由上可知，锚网索联合支护是适用于煤矿巷道顶板维护的合理方式，是充分发挥锚杆、锚索等支护构件的支护特点，并非简单的支护效果累加，而是互相补充，形成整体支护结构，达到支护效果最佳状态。因此，采用“锚杆(索)联合支护”方案，能够实现巷道支护需求，实现顶板安全回采[9-10]。

3.2 确定巷道支护参数

805进风顺槽支护采用锚杆+锚索梁+塑钢网联合支护方式，如图2所示。锚杆为φ20 mm×2 500 mm左旋无纵筋螺纹钢锚杆，每孔消耗3节L=350 mm树脂，锚杆托盘尺寸200 mm×200 mm×12 mm，顶锚杆间排距800 mm×800 mm，“六-六”矩形布置，帮锚杆间排距700 mm×1 000 mm，“四-四”矩形布置，两帮部各增加1根长度为2.6 m的T140型钢带；锚索梁长4 200 mm，排距800 mm，一梁四索，钢绞线规格为φ17.8 mm×10 300 mm钢绞线，每孔消耗L=700 mm树脂3节；顶、帮部挂塑钢网。

图2 进风顺槽巷道支护断面

805回风顺槽支护采用锚杆+锚索梁+塑钢网联合支护方式，如图3所示。锚杆为φ20 mm×2 500 mm左旋无纵筋螺纹钢锚杆，每孔消耗3节L=350 mm树脂，锚杆托盘尺寸200 mm×200 mm×12 mm，顶锚杆间排距800 mm×800 mm，“六-六”矩形布置，帮锚杆间排距700 mm×1 000 mm，“四-四”矩形布置；锚索梁长4 200 mm，排距1 600 mm，一梁四索，钢绞线规格为φ17.8 mm×8 300 mm钢绞线，每孔消耗L=700 mm树脂3节；顶、帮部挂塑钢网。

图3 回风顺槽巷道支护断面

4 巷道观测

4.1 巷道顶板离层观测

设置巷道顶板离层观测点：在805工作面进、回风顺槽距开切眼250 m处设置顶板离层观测点，各安设1组顶板离层仪器，记录该组离层仪随着工作面回采推进过程中的离层数据，综合分析工作面回采期间进、回风顺槽试验离层仪数据。

进风顺槽顶板离层规律分析：进风顺槽在距回采工作面63 m以外，顶板累计位移量变化不大，可认为顶板基本上处于稳定状态，没有发生离层现象，监测数据变化曲线，如图4所示。在距回采工作面63 m以内，随着工作面的推进，顶板位移量都不断增加，浅部基点处累计位移量最大为27 mm，深部基点累计位移量最大为30 mm。

图4 805进风顺槽顶板离层监测数据变化曲线

回风顺槽顶板离层规律分析：回风顺槽在距回采工作面51 m以外，顶板累计位移量变化不大，可认为顶板基本上处于稳定状态，没有发生离层现象，监测数据变化曲线如图5所示。在距回采工作面51 m以内，随着工作面的推进，顶板累计位移量都不断增加，浅部基点处累计位移量最大为24 mm，深部基点累计位移量最大为28 mm。

图5 805回风顺槽顶板离层监测数据变化曲线

4.2 巷道收敛观测

设置巷道收敛观测点：在805工作面进、回风顺槽距切眼100 m巷道内布置20个测点，每个测点间距5 m，采用十字布点法对进风顺槽的顶板下沉量、底鼓量及帮部移近量进行观测，如图6、7所示。

图6 805进风顺槽收敛变化趋势

两顺槽收敛规律分析：通过观测分析可知，随着805工作面正常推采，受超前采动压力影响，进风、回风顺槽巷道顶底板移近量最大均不超过400 mm；帮部移近量不超过60 mm，且巷道收敛变形主要集中在煤壁前方50 m范围内，50～100 m范围巷道收敛量逐渐趋于0，在观测期间两顺槽安全出口畅通，巷道收敛量均在可控范围内，说明巷道的永久支护均能够满足实际生产需求。另外巷道顶底板移近量主要表现为巷道底鼓，约占总量的85%，最大移近量达320 mm。巷道底板为开放型支护管理，受超前支承压力影响底鼓，落底后能够满足回采巷道使用要求。

图7 805回风顺槽收敛变化趋势

5 结论

综采工作面回采巷道受超前支承压力影响后，容易导致围岩中应力超过其承载极限，从而导致巷道围岩支护困难。通过分析805工作面两顺槽顶板离层、巷道收敛数据说明，顶板下沉及帮部收敛变形量小，锚网索联合支护设计合理，支护强度能够满足安全使用需要，805工作面锚网索联合支护技术与钢带、金属网联合使用，能很大程度提高巷道支护质量，针对具体问题，提出合理的支护参数，可以很大程度上解决煤矿井下巷道维护困难的问题，保证巷道围岩稳定，实现煤矿安全高效的开采。