沿空巷道底鼓破坏与支护技术研究

2021-04-12张付平

山东煤炭科技 2021年3期

张付平

（山西兰花集团莒山煤矿有限公司，山西晋城 048002）

随着矿山压力理论研究的不断深入和开采技术的不断发展，沿空掘巷技术在我国得到了广泛应用。采用沿空掘巷的理论依据为：工作面回采结束，采空区侧向上覆岩层运移趋于稳定后，在采空区侧向一定范围内存在低于原岩应力的低应力区，在该区域内掘进回采巷道，由于巷道布置在采空区侧向低应力区域范围内，充分利用低应力区便于维护巷道的特点。沿空掘巷受掘进及二次采动影响，巷道底板易发生严重的变形破坏，本文分析了3005 综采工作面回风巷道底鼓特征及破坏原因，给出了巷道支护方案，为沿空掘巷底板支护提供了参考[1-6]。

1 巷道开采技术条件

3005 回风顺槽位于3005 综采工作面北部，巷道设计为矩形断面，掘进宽度为3.2 m，掘进高度为2.6 m，净宽3.0 m，净高2.4 m。巷道沿3003 综采面采空区沿空布置，护巷煤柱为8 m，巷道顶板为3 号煤层，煤层上部为泥岩及砂质泥岩，平均厚度为9.27 m，巷道底板为黑色泥岩，平均厚度为3.07 m。巷道原始支护方案为锚杆及锚索联合支护，顶板及两帮锚杆规格均为Φ22 mm×1800 mm，顶板间排距为900 mm×900 mm，两帮间排距为900 mm×800 mm；巷道顶板中部布置1 根规格为Φ17.8 mm×5300 mm 的锚索，排距为1800 mm。

2 巷道底鼓破坏特征及原因分析

2.1 破坏特征

沿空掘进期间3005 回风顺槽发生了一定程度的变形，但相对较小，3005 工作面回采期间巷道底板发生大幅度底鼓破坏，具体表现情况为：

（1）回采期间在工作面前方30～50 m 区域内巷道底板发生大幅度破坏，有较大裂缝，工作面附近底板最大底鼓量980 mm，最大裂隙宽度391 mm，位于工作面靠近煤柱一侧。

（2）巷道底鼓为非对称破坏，其中靠近煤柱帮一侧底鼓量大于实体煤帮一侧。

（3）巷道底板倾斜明显，无法满足工作面辅助运输要求，在工作面前方30 m 处需要人工起底，起底深度为500 mm，靠近工作面附近巷道发生二次底鼓，底鼓量增大300～400 mm。

（4）巷道超前支护的单体立柱穿底明显，导致立柱支护强度降低，进一步加重了巷道底鼓程度。

2.2 破坏原因分析

根据生产过程中现场观测，结合巷道实际破坏情况，认为影响巷道底鼓破坏的因素主要有围岩应力及强度、煤柱宽度和支护方式。

（1）围岩强度及应力。3005 回风顺槽沿煤层底板掘进，巷道底板为黑色泥岩，两帮及顶板均为3 号煤层。由于底板泥岩属于软弱岩层，一方面在掘进及工作面回采过程中巷道受两次显著采动影响，底板围岩体的物理力学性质持续减弱，底板裂隙增大，进一步降低底板框变形能力，导致发生严重破坏变形；另一方面沿空掘进后，巷道承载着复杂的地应力，在应力作用下巷道围岩持续发生破坏变形，表现为在巷道围岩体最软弱的底部区域率先发生破坏，且破坏程度最大，导致巷道发生严重的变形破坏。

（2）护巷煤柱宽度。沿空掘进后，巷道一侧为护巷煤柱，护巷煤柱外侧为采空区，另一侧为实体煤帮，由于巷道在掘进之前采空区侧向煤柱已受上工作面采动影响而发生一定破坏，煤柱结构稳定性变差，抵抗复杂应力的能力大幅度减小，因此煤柱帮结构稳定性对巷道底板破坏变形具有重要影响。

（3）支护方式。3005 回风顺槽顶板及两帮锚杆长度均为1800 mm，底板无支护。由于锚杆有效支护长度较小，在两次强烈采动影响下极易发生失效现象，巷道围岩由原来锚杆支护作用下的三向应力状态变为双向应力状态，巷道围岩体失去约束作用，应力状态持续恶化，在围岩体破坏变形过程中进一步增大了巷道底板的破坏程度。此外由于巷道底板无支护，原始自由面在采动影响下极易向巷道空间内部让压变形，导致巷道底鼓增大。

3 巷道支护优化

沿空掘进3005 工作面回风顺槽一侧为护巷煤柱，宽度为8 m，另一侧为待采工作面。基于以往的大量研究，沿空煤柱均为窄煤柱，煤柱宽度不大于8 m，结合矿方实际生产情况，本文在现有的煤柱条件下给出巷道底鼓治理方案。

3.1 支护参数优化

以往的研究成果和现场实践表明，锚杆及锚索支护系统可以使巷道围岩形成一个整体的承载结构体，有效增大巷道围岩体的峰后强度和残余强度，对巷道围岩稳定具有十分重要的作用。本文通过综合分析3005 回风顺槽的实际生产地质条件、围岩岩性、锚固体性能、巷道用途等因素，确定了如下支护参数。巷道锚杆支护断面如图1。

（1）顶板采用Φ22 mm×2800 mm 型锚杆，每排布置4 根，间距为800 mm，排距为800 mm，中部锚杆垂直于顶板布置，两侧锚杆与竖直方向呈15°夹角，锚杆预紧力在180 kN 以上，扭矩不低于300 kN·m；锚索采用Φ17.8 mm×7300 mm 型高强度钢绞线，间距及排距均为1600 mm，垂直于顶板布置，锚索破断载荷不小于350 kN。

（2）煤柱帮锚杆规格为Φ22 mm×2800 mm，每排布置3 根，间距为800 m，排距为700 mm，中部锚杆垂直于煤柱帮，顶部及底部锚杆与水平方向呈15°夹角，锚杆预紧力大于180 kN，扭矩大于300 kN·m。

（3）煤壁帮锚杆采用Φ22 mm×2400 mm 型螺纹钢锚杆，间排距为800 mm×700 mm，中部锚杆垂直于帮部打设，顶部及底部锚索与水平方向呈15°夹角，锚杆预紧力大于180 kN，扭矩大于 300 kN·m。

图1 巷道锚杆支护断面

3.2 底板处理

3005 回风顺槽沿底掘进，巷道底板为黑色泥岩，岩层厚度为3.07 m。在实际掘进过程中出现底板破碎和变形时采取注浆加固措施，保证浆体能够进入底板裂缝，改善底板岩层力学性能。此外在底板开设卸压槽，使底板应力得到释放，减小底板底鼓变形破坏。

4 现场实践

3005 回风顺槽在掘进过程中采用优化支护方式后，对巷道进行了现场监测，整个沿空掘进期间巷道顶板最大下沉量为108 mm，底板最大变形量为125 mm，两帮最大变形量为215 mm。3005 工作面回采期间巷道围岩变形量如图2。随着工作面的临近，巷道围岩变形逐渐增大，工作面附近顶板最大下沉量约为250 mm，两帮累计变形量为425 mm，底板最大底鼓量为350 mm，生产期间无大规模起底，表明底板底鼓得到了有效控制，可以满足工作面回风及辅助运输要求。