倾斜厚煤层沿空掘巷围岩稳定性控制技术研究

张 哲，张巨峰，李文忠，胡天辉

(1. 甘肃靖远煤电股份有限公司 魏家地煤矿，甘肃 白银 730913；2.陇东学院 能源工程学院，甘肃 庆阳 745000)

我国倾斜煤层综放开采造成的煤炭损失占总煤损的44%，为此，通过留设窄小煤柱、沿空掘巷提高煤炭回采率，但是，沿空掘巷采用的小煤柱宽度一般为3～10 m，服务期间受动压影响，巷道支护破坏严重，围岩稳定性控制成为安全生产的关键要素。

众多学者[1-7]对沿空掘巷围岩稳定性控制进行了研究，多数学者认为应遵循“软岩”巷道控制的思路，推广应用高强度预应力锚杆支护、锚注联合支护等技术才能提高巷道围岩的稳定性，往往忽略了倾斜煤层沿空掘巷非对称承载这一突出特点，实际上，倾斜煤层沿空巷道层间相对运动剧烈，塑性剪切滑移变形量大，是导致巷道失稳的关键因素，稳定性控制技术需要进一步探索。

魏家地煤矿一般采用8.0 m煤柱沿空掘巷，生产期间，巷道底鼓严重，两帮收敛剧烈，在整个服务期间，动压显现剧烈，支护体失效、破坏严重，需要多次扩帮、起底才能满足使用要求，2303综放工作面倾斜厚煤层运输和回风两巷道采用沿空掘巷，巷道层间运动剧烈，围岩稳定性难以控制，基于此，以2303运输巷为研究对象，研究倾斜煤层沿空巷道围岩控制与支护技术。

1 工程概况

甘肃靖远矿区魏家地煤矿2303工作面位于西二采区3号煤层中，东部为1306和1308工作面采空区，北部为2301工作面采空区，顶部为2103和2105工作面采空区，西部为西二采区巷道保护煤柱，工作面设计走向1 122 m，倾斜长232.5 m，距上部一煤层采空区距离48 m，基本不受上覆煤层开采影响，总厚度为5.9～7.6 m，平均为7.5 m，煤岩层倾角为19～26°，平均为25°。煤层开采深度为452～536 m，运输巷沿煤层底板掘进，巷道断面为5.4 m×3.9 m(其中，直墙高1.2 m)，工作面布置如图1所示。

图1 2303工作面布置示意

2 巷道支护参数确定

2.1 锚杆材质

因高强高预应力锚杆的极限强度和屈服强度大，有利于围岩稳定性控制，且杆体表面具有凹凸螺纹，更有利于锚杆和锚固剂的粘结，因此，魏家地煤矿2303运输巷顶板和两帮选用材质为BHRB335以上的高强高预应力锚杆。

2.2 预紧力

锚杆预紧力P与预紧扭矩M有以下关系：

P=K0M

式中：K0为转换系数，主要与锚杆直径、螺母外接圆直径、螺纹升角、丝扣间摩擦系数，以及螺母和托盘间的摩擦系数相关。

D22 mm×L2 600 mm的螺纹钢锚杆，其锚杆预紧力P与预紧扭矩M值的关系见表1。由表1可知，只有预紧力扭矩达到250 N·m，锚杆预紧力才能达到60 kN。

表1 锚杆预紧力与预紧扭矩关系

2.3 巷道锚网支护附件

巷道锚网支护除了主要的锚杆外，还应有金属网、托盘等，巷道表面全部铺设金属网，托盘有200 mm×200 mm×60 mm的木托盘和125 mm×125 mm×10 mm的铁托盘，以及#型垫板等。

2.4 巷道锚杆、锚索支护参数

1) 巷道顶板支护。拱型巷道顶部采用D22 mm×L2 600 mm高强度锚杆，间排距一般为600 mm×700 mm，每排13根，并配套1支K2360和1支Z2360树脂药卷进行锚固，锚杆与巷道拱型面垂直。

2) 两帮支护。巷道两帮采用D22 mm×L2 600 mm的高强度锚杆，间排距一般为600 mm×700 mm，每排2根，并配套1支K2360和1支Z2360树脂药卷进行锚固，第一排锚杆沿水平15°打设，第二排与巷帮垂直打设。

3) 锚索支护参数。巷道表面每2排锚杆打6根锚索，锚索排距为1 400 mm。煤柱帮侧打设参数为D17.8 mm×L4 000 mm的3根短锚索。第一根短锚杆水平打设，一般距离底板1.0 m；第二根垂直巷帮打设，一般距离底板2.0 m；第三根沿半圆拱中心45°打设，并垂直于巷道表面。实体煤帮打设2根锚索，第一根锚索距离底板2.0 m垂直岩面安装，参数为D17.8 mm×L7 000 mm，第二根锚索与半圆拱中心呈45°夹角垂直岩面安装，参数为D17.8 mm×L10 000 mm。巷道拱顶中心垂直于拱顶打设1根D17.8 mm×L7 000 mm的锚索，并分别配套1支K2360和2支Z2360树脂药卷进行锚固，锚固长度一般为1 800 mm。

3 矿压监测方案

3.1 巷道矿压监测点布置

为研究深部巷道围岩稳定性，针对典型的围岩地质条件，进行了巷道围岩表面位移、深部多点位移、顶板离层、煤帮应力、锚杆和锚索受力的跟踪监测，从巷道开口每隔50 m布置1个测站，每个测站共6个测点，两监测测点沿巷道轴向间隔0.6～1.0 m，如图2所示。

图2 测站与测点布置图(mm)

3.2 巷道表面位移监测

表面位移测点布置如图3所示，主要监测顶板下沉量、底鼓量、底板相对移近量、两帮位移量和相对移近量等内容。

图3 表面位移测点布置图

每个监测断面内采用十字布点法布置4个测点，测点通过打设D29 mm×L380 mm钻孔，并插入D29 mm×L400 mm的木桩固定，顶板和底板木桩端部安设弯形测钉，两帮木桩端部安设平头测钉，用测枪、测杆或钢卷尺进行测量，通过两帮和顶部4个测点数据，计算顶底板收敛变化量和两帮收敛变化量。

3.3 深部多点位移监测

采用B19接长钻杆，D28 mm钻头用锚杆机在顶板中部及两帮直墙段与拱顶交线附近处打垂直钻孔，拱顶与实体煤帮钻孔深度6.0 m，煤柱帮钻孔深度4.0 m。各测点与孔口距离分别为1 m、2 m、3 m、4 m、5 m、6 m，数据处理分析后可得每个测点相对于孔底的位移，测试仪器为KDW-1型机械式多点位移计，见图4(a)，深部多点位移测点设置如图4(b)所示。

图4 深部围岩多点位移测点布置图

3.4 锚杆和锚索轴力

分别应用MCJ-16锚杆测力计和MCJ-25锚索测力计进行锚杆轴力和锚索轴力监测，以判断锚杆、锚索是否屈服、破断，锚杆(索)测点布置见图5。

图5 锚杆轴力监测测点布置图

4 矿压监测结果及分析

4.1 巷道表面位移监测

2303运输巷共布置巷道表面位移测站2个，分别距巷道开口100 m、400 m，表面位移监测曲线如图6所示。

图6 巷道表面位移监测曲线图

巷道开挖后，巷道两帮移近量和顶板下沉量均急剧加大，持续时间大约5～9 d，主要是因巷道开挖破坏了围岩的原岩应力状态，弹性量瞬间释放，承载力下降，围岩裂隙向深部延伸，形成破碎区，巷道表面位移迅速增长。随着掘进工作的继续，巷道围岩变形趋于稳定，影响期一般为15 d。煤柱宽度6.0 m时，顶板下沉量为162 mm，两帮移近量为254 mm；煤柱宽度为8.0 m时，顶板下沉量为92 mm，两帮移近量为360 mm；煤柱宽度为9.0 m时，顶板下沉量为114 mm，两帮移近量为595 mm，回采期间，煤帮需要补打锚杆加强支护。巷道表面位移监测曲线变化规律与数值模拟结果较为一致，煤柱宽度为6.0 m时顶板下沉量最大，但随着煤柱宽度的增加变化不大，而两帮剧烈收敛，至煤柱宽度为9.0 m时，需在回采期间煤帮补打锚杆加强支护。煤柱宽度为6.0 m时，围岩控制效果好。

4.2 深部多点位移监测

共布置2组巷道深部多点位移测站，分别距巷道开口100 m、400 m，多点位移监测曲线如图7所示。

由图7(a)可知，深部围岩位移的变形量整体变大，煤柱侧围岩2 m范围松动，在2 m以外围岩向巷道方向的移近量基本无变化，处于稳定状态；巷道围岩0～1 m锚固区内，最大位移量为17.1 mm，锚杆受力最大，但仍在极限范围内；巷道围岩1～1.5 m锚固区内，最大变形量为5.5 mm，巷道围岩1.5～2 mm锚固区内，围岩变形量最大为7.8 mm，仍在锚索极限范围内，煤柱比较稳定。

图7 煤柱侧深部围岩位移监测曲线图

由7(b)可知，深部围岩位移变形量整体变大，实体煤侧2 m范围松动，2 m以外的围岩向巷道方向的移近量基本无变化，基本处于稳定状态；巷道围岩0～1 m锚固区内，围岩的最大位移量为31.4 mm，锚杆受力较大，但仍处于极限范围内；巷道围岩1～1.5 m锚固区内，围岩最大变形量为51.3 mm，巷道围岩1.5～2 m锚固区内，巷道围岩最大变形量为28.1 mm，一直处于锚杆的极限范围内。

4.3 锚杆受力

2303运输巷共布置巷道锚杆受力监测站2个，分别距巷道开口100 m、400 m，锚杆轴力监测曲线如图8所示。

由图8可知，锚杆轴力随时间整体呈指数增长，巷道开挖5 d内，锚杆轴力增长较快，巷道开挖5 d后，锚杆轴力基本稳定。锚杆位于煤柱侧，由于锚杆安装时初始预应力较大，在巷道开挖后，煤柱部分内部应力随着围岩的变形破坏得以释放，导致了前期锚杆轴力随时间增长而减小的趋势，其后随着围岩与锚杆的相互作用关系，围岩体内的应力重新分布调整并最终达到平衡。此时，锚杆最大载荷为132.5 kN，而直径22 mm的BHRB335材质锚杆的破断载荷为186.3 kN，因此，锚杆还有很大承载空间，巷道安全系数高。煤柱宽度越大，锚杆整体承载越大。

图8 锚杆受力监测曲线图

4.4 锚索受力

2303运输巷共布置巷道锚索受力监测站2个，分别距巷道开口100 m、400 m，锚索轴力监测曲线如图9所示。

图9 锚杆受力监测曲线

锚索轴力随时间整体呈现上升趋势，一般地，巷道开挖5 d左右，锚索轴力快速增长，主要是因为巷道开挖造成的强卸荷导致围岩扩容变形迅速增大；当巷道开挖后大约8 d时，锚索轴力呈现出先变大后变小的情形，主要是因为岩体及锚索内部应力出现压缩、回弹的反复状况；当巷道开挖15 d时，锚索轴力基本处于平稳期，此时，锚杆承受的荷载最大，为150 kN，而2303运输巷采用的D17.8 mm锚索最大载荷为300 kN，仍有150 kN的承载空间，工况良好。

5 巷道围岩控制效果

2303工作面运输巷沿空掘进后，围岩稳定性控制效果良好，如图10所示，浆层未出现开裂、脱落现象，锚网未出现网兜现象，拱顶形状完好，未出现平顶、偏顶等变形现象。在距巷道开口400 m位置附近，煤柱帮沿直墙段与拱顶交界处鼓出约110 mm，需要补打锚杆加强支护，巷底鼓量约为400 mm，需起底1次，巷道整体维护状态良好。

图10 围岩控制效果图

6 结 语

1) 煤柱宽度为6.0 m时顶板下沉量最大，但随着煤柱宽度的增加变化不大，而两帮剧烈收敛，至煤柱宽度9.0 m时，需在回采期间煤帮补打锚杆加强支护。

2) 煤柱宽度为6.0 m时，围岩控制效果好，倾斜煤层异型煤柱沿空巷道立体协控技术有效地控制了巷道围岩变形。