综采条件下超厚煤层回撤巷道围岩控制技术研究

张鹏杰

（山西宁武大运华盛老窑沟煤业有限公司，山西 宁武 036700）

我国是世界上最大的煤炭生产国，能源统计年鉴数据显示，我国煤炭产量占全球煤炭产量的46.4%。分布广泛的中厚（单煤层厚度不超过3.5 m）和特厚（单煤层厚度超过3.5 m）煤层的年平均产量占年原煤产量的40%~50%。

以往的研究虽然对特厚煤层开采巷道的稳定性及控制技术进行了研究，但研究的重点主要集中在某一巷道开挖或某一开采阶段对巷道的影响上。在现实中，特厚煤层内的大量巷道必须经历多次开采活动，特别是相邻工作面和当前工作面连续两个推进阶段。在这种情况下，巷道围岩变形和应力演化较为复杂。同时，在这种开采条件下，如果不采取适当的支护技术，围岩可能会失去稳定性甚至发生破坏。本文以塔山煤矿特厚煤层典型综采强扰动巷道为研究对象，对顶板支护构件的破坏情况进行了统计分析，采用物理模型试验研究了特厚煤层围岩从稳定到失稳的动态破坏过程。推导了综采巷道的应力、位移分布特征，最后，采用单支高恒阻机械可屈服支柱进行现场应用。

1 特厚煤层综采巷道围岩变形研究

1.1 对破坏顶板支撑构件进行现场调查

对综采8110工作面回采过程中5110回采巷道顶板支护构件的破坏进行了现场研究。现场调查主要涉及锚索、锚杆破坏的主要位置、数量和类型，以及锚索和钢锚杆在顶板中使用的组合。选取典型结果进行统计分析，如表1所示。

表1 综采工作面8110掘进时5110回风巷的不同监测位置m

在特厚煤层的开采，主要是五个典型失效模式支撑结构的强烈不安挖掘道路：结合锚索，地脚螺栓的断裂和电缆，肩螺栓屋顶上屋顶完全伸展到煤炭，撕裂钢带和松动的螺栓。

1.2 特厚煤层回采巷道围岩变形特征及支护结构受力演化

通过对综采工作面8110超前区顶板支护构件破坏情况的调查统计，需要明确支护结构所承受荷载的演化规律和围岩变形特征。为此，在5110巷超前工作面250 m范围内进行了现场监测，如下页图1所示。监测巷道围岩变形、锚杆受力和顶板分层等参数。对于每个参数，五组监视点的变形监测，与第一组间距20 m、30 m、50 m、80 m、100 m的工作面，当工作面先进到最近的监视点，第二个监测站是设置为第一组，然后第五小组等等。在每个锚杆锚索监测站，间距分别设置两组监测点20 m。每个站由3个观察点组成（共使用36个观察点）。在20 m间距处设置13组监测层理离层的监测点，在深浅区分别在7.5 m和2.5 m处设置监测层理离层的基点。

图1 回风巷围岩综合监测布置

综采8110工作面开采过程中围岩位移、顶板顺层离层、5110回采巷道锚杆锚索受力监测结果如下页图2所示。

图2 5110回采巷道围岩变形及应力特征

结果表明，煤巷最大的侧壁收敛和顶底板位移分别为2 578 mm和1 538 mm，说明煤巷变形较大巷道围岩受强烈采动应力影响。根据工作面前方100 m的变形特征，最终顶底板位移和增加量均大于两煤帮的收敛；但在煤巷围岩变形的大多数过程中，顶底板位移小于两帮的收敛。此外，随着工作面的进步，所有的位移监测围岩巷道的位置增加，卸压位移增加从480 mm到1 048 mm在工作面前方位置100 m，和增加煤炭的双方之间的融合从690 mm到1 040 mm的工作面9 m。与此同时，工作面前方10~50 m范围的顶底板位移和增加量远大于10~50 m范围（50~100 m），快速变形带范围为10~36 m。结果表明：煤巷的稳定性普遍较弱，围岩变形与监测站距工作面距离密切相关，表明巷道变形对采动应力高度敏感，8110工作面开采前，随着邻近工作面的开采，巷道经历了开挖阶段和侧向采动应力。这导致了围岩应力分布的频繁变化，对特厚煤层大跨度巷道的稳定性影响显著。在这种情况下，5110煤巷的围岩应力也会随着8110工作面的推进而发生变化，极大地降低了巷道的稳定性，导致围岩产生较大的变形。

2 单一机械可屈服支柱来支撑特厚煤层

2.1 结构组成和技术优势

针对特厚煤层综采巷道围岩跨度大、采动应力高、变形大等特点，提出了一种新型高恒阻单支机械可屈服支架。如图3所示，该支柱包括：柱套管、柱杆、滚珠轴承、底座和罩。

图3 单一机械可屈服支柱

高恒阻的单一机械可屈服支柱是利用柱杆与列套管之间的滚珠轴承架中的钢球，通过压滚接触面使杆的接触面变形，从而提供工作阻力。工作阻力取决于滚珠轴承和钢管的材料性能，不受其他外部因素的影响，如安装制度和环境。柱、套管和抽油杆的机械强度得到充分利用，使支柱能提供较大的支撑力。此外，它提供的工作阻力相当于柱式套管或杆的机械强度的80%，从而实现稳定的支撑。在加载到预先设定的荷载后，随着支撑空间变得更近，支柱上的轴向力增加，直到达到其规定的工作阻力，然后柱杆在恒定阻力下缩回。可屈服支柱的质量只有液压支柱的一半左右，因此使用方便。

2.2 高恒阻单支机械可屈服支柱稳定性试验

可屈服支柱提供的支撑越高，就越容易由于偏心效应而发生弯曲变形。为满足特厚煤层回采巷道的支护要求，采用NSY500型应力测试系统对可屈服支柱进行室内试验，支架高度可达3 m，如图4所示。基于此，得到以下结论：

图4 高恒阻单支机械可屈服支柱位移与支柱加载曲线

1）在支架高度为3 m时，从初始点A增加到第一个工作阻力峰值点B，承载力超过45 t，支柱位移变化不大，表现出快速的承重作用。

2）通过B点后，工作阻力保持恒定在45 t左右，最大负荷达到49 t，有效实现了柱杆在达到30 m支撑高度的额定工作阻力后，在恒定阻力下的缩回效果。

2.3 现场支持形式和流程

针对综采开采的强岩层特性在特厚煤层巷道，常数高的单一机械可缩性的支撑阻力先进支持地区可以分为三个类型：支持单列，双行和多行，主要支持类型和工艺流程。在距超前工作面300~500 m范围内，采用单一机械屈服支柱代替木架支撑。沿巷道临近机械高屈服支柱距离在800~1 000 mm范围内变化，支柱到侧壁的距离根据巷道断面为800~1 500 mm。如果使用一排支撑物，两个相邻的支撑物用防倾倒拉杆连接。如果使用两排或多排支柱进行支撑，则所有相邻的支柱均采用抗倒拉杆连接。

3 结论

通过实验试验和现场试验，对特厚煤层开采巷道围岩在强烈破坏性开采过程中的变形破坏特征进行了综合研究。提出了一种高恒阻力学可屈服单支柱支护特厚煤层后退巷道围岩的方案。可以得出以下几个结论：

1）特厚煤层强扰动回采巷道支护结构的典型破坏形式为锚索联合破坏、锚杆与锚索断裂、顶板肩杆拉入煤顶、钢带撕裂和锚杆松动。

2）综放工作面推进时采动诱发应力高，且具有一定的周期性。这些应力对巷道变形、顶板顺层和锚杆荷载的变化有显著影响。

3）巷道围岩变形、损伤率和损伤程度与采动应力强度密切相关。在低应力条件下，损伤较小，巷道围岩影响范围较小。当应力达到一定值时，随着应力的增加，巷道围岩的破坏速率和破坏范围显著增大，最终巷道围岩破坏形成中高低帮的形态。