孤岛工作面两巷控制技术探究

和英杰

（山西兰花百盛煤业，山西 晋城 048400）

随着开采深度的不断增加，在回采孤岛工作面时，会造成两巷沿空掘进，巷道压力较大，对巷道的维护成为孤岛煤柱工作面治理的重点[1-4]。由于地质构造引起的地应力本身较为复杂，在孤岛工作面顶板结构特征的影响下，应力集中程度会进一步增加，为回采巷道采掘期间的稳定控制带来了挑战[5-7]。两回采巷道易陷入修复后再次变形的窘态，若再经受采动影响，则易发生冒顶等安全事故[8]。

1 概 况

唐安煤矿属于高瓦斯矿井，主采3 号煤，该煤层无冲击地压危险，煤尘无爆炸性。3405 工作面东部和西部分别为3407、3403 综放面采空区，南部紧邻采区专用回风大巷，北部为实体煤柱。该工作面设计顺槽长1 410 m，切眼175 m[2]。原设计进、回风顺槽均沿煤层底板布置，矩形巷道，净高2.7 m，净宽4.0 m，切眼沿煤层底板布置，净高2.7 m，净宽6.5 m（切眼两口处部分净宽7 m）。采用倾斜长壁后退式综采放顶煤工艺，全部垮落法管理采空区[3]。

唐安煤矿3407 工作面上下顺槽受周边采空区压力影响，围岩变形严重，突出表现为掘进时巷道变形较快，在巷道掘进后20 d 左右，巷道的底板鼓起量在600～900 mm，两帮移进量达400～600 mm，导致前头掘进，后路安排专人整修。在工作面回采时，上下端头超前支护20 m 范围内，顶底及两帮收敛异常严重，局部断面不足原设计巷道断面的2/3。胶带顺槽设备较多，受巷道变形影响大，工作面推进困难，且回采工作面上下端头20 m 的超前支护无法保证回采的安全需要。为回采的顺利进行，每班需要安排专人进行卧底扩帮，严重制约着回采速度。

在3405 工作面设计时采用了增大巷道断面，加强巷道支护强度的方式，控制了孤岛工作面两巷收敛变形严重的难题，解决了生产中的困难。

2 巷道设计方案

2.1 原设计方案

原巷道设计采用锚网索联合支护，如图1 所示。巷道断面规格为净宽×净高=4.0 m×2.7 m。顶锚杆采用MSGLW-335/20Ⅱ（无纵肋螺纹钢式）高强度锚杆，直径20 mm，长2.4 m，锚杆间排距分别为850 mm、800 mm，锚杆垂直煤壁打设，顶角锚杆与煤壁成75°打设。顶锚杆配合梯子梁使用，选用长×宽×厚=3 800 mm×100 mm×16 mm的梯子梁，并沿垂直巷道方向布置，配合长×宽×厚=140 mm×120 mm×8 mm 的U36 钢托板，孔径为23 mm（±1 mm）。顶锚杆采用端头锚固，采用1 卷K2335 锚固剂和2 卷Z2335 树脂锚固剂，为了快速安装，锚固剂可选取先快速再中速安装，锚固力≥130 kN，螺母扭矩不低于200 N·m。

图1 原巷道支护断面示意Fig.1 Original support section of roadway

巷道设计垂巷打设3 趟锚索，根据岩层情况，将顶板锚索固定到老顶内1.5 m 以上计算，锚索选取直径为21.8 mm 的高强度低松驰钢绞线，破断载荷为583 kN，设计锚固力为560 kN，间排距均为1.4 m。锚索配备16#b 型槽钢配合U36 钢托板使用，槽钢规格为3 200 mm×160 mm×8.5 mm，托板规格140 mm×120 mm×10 mm。槽钢垂直巷道掘进方向布置。每根锚索采用K2335 和Z2335 树脂锚固剂各2 卷进行端头锚固，锚索预紧力≥200 kN。

巷道两帮采用锚杆配合梯子梁封帮，帮锚杆采用直径18 mm，长2.2 m 的等强锚杆，配长×宽×厚=140 mm×120 mm×8 mm 的U36 钢托板，孔径为21 mm（±1 mm）。锚杆间排距为800 mm，锚固力≥64 kN，螺母扭矩不低于130 N·m。

护表材料选取φ6 mm 钢筋网裱褙。

2.2 优化后设计方案

由于该工作面为孤岛工作面，上下两巷紧邻采空区导致煤柱应力集中，在掘进及回采期间受采空区应力传递影响，巷道变形严重。为控制巷道变形，降低巷道返修率，需适当增大巷道断面，同时提高巷道围岩的支护强度。因此巷道断面规格设计为净宽4.5 m×净高3.5 m，优化后巷道支护断面如图2 所示。

图2 优化后巷道支护断面示意Fig.2 Optimized support section of roadway

（1） 顶锚杆选取直径20 mm，长2.4 m 的MSGLW-335/20Ⅱ高强度锚杆，配合梯形梁使用，间距850 mm，排距1 000 mm；梯形梁沿垂直巷道方向布置，规格为长×宽×厚=4 600 mm×80 mm×16 mm。

（2） 顶锚索直径为21.8m m，长7.5 m 钢绞线，配合规格为长×宽×厚=4 000 mm×160 mm×8.5 mm 的16#b 槽钢使用，槽钢垂直顶板打设，每排打设5 根锚索，配合使用长×宽×厚=120 mm×120 mm×16 mm 的铁托盘。

（3） 两帮支护。两帮采用锚杆配合梯形梁封帮，帮锚杆采用直径20 mm，长2.4 m 的高强锚杆，间距800 mm，排距800 mm，梯形梁垂直巷道布置，规格为长×宽×厚=2 800 mm×80 mm×14 mm，配长×宽×厚=150 mm×150 mm×10 mm 的钢托盘。底根锚杆可滞后10 m，使用1 m 长梯形梁接梁垂直巷道方向打设，并根据底板高度适当调整梯形梁规格。

为控制巷道两帮收敛变形，减少采空区应力对巷道变形的影响，在巷道两帮打设帮锚索，帮锚索采用直径17.8 mm，长4.0 m 的钢绞线，选用2 卷K2335 树脂锚固剂和2 卷Z2335 树脂锚固剂配合锚固，为方便快速安装，先安装K2335 锚固剂，再安装Z2335 锚固剂。

①上帮锚索距顶1 700 mm，锚杆锚索交替打设，即每隔一排帮锚杆打设一根帮锚索，锚索排距1 800 mm，打设在第三根锚杆位置代替帮锚杆。

②下帮锚索打设间距900 mm，排距1 600 mm，并呈迈步式打设。第一排锚索距顶1 400 mm，在两排锚杆之间补充打设，配合梯形梁使用，梯形梁规格为长×宽×厚=2 000 mm×160 mm×8.5 mm，并可根据煤层倾角和巷道高度适当调整。

（4） 护表材料采用钢筋网+双抗塑料网联合裱褙。

3 方案比较

巷道设计优化后，巷道断面变大，并允许一定范围内的变形，巷道顶帮均增加了支护强度。

3.1 锚杆受力情况观测

通过安装锚杆压力表，对巷道顶帮锚杆受力情况进行连续观测并统计，统计结果如图3 所示。数据表明，巷道打设锚杆后，锚杆受力情况随时间递增，并在安装20 d 后达到稳定状态，顶板锚杆所受载荷最大值在100 kN 左右，帮部锚杆所受载荷最大值为85 kN。

图3 锚杆所受载荷与时间变化曲线Fig.3 The change curve of bolt load and time

3.2 巷道变形情况观测

巷道掘进后及时布置围岩观测站，采用十字布点法对巷道变形情况连续观测，巷道两帮及顶底板围岩收敛变形情况如图4 所示。

图4 巷道收敛变形曲线Fig.4 Convergence deformation curve of roadway

巷道在掘后初期的前20 d 内，巷道围岩变形最快，两帮移近量可达28 mm/d，顶底板移近量可达20 mm/d，随后两帮和顶底变形量逐步变小，30 d 后趋于稳定。巷道围岩收敛变形稳定后顶底板相对位移为160 mm 左右，两帮相对位移为180 mm左右，巷道变形量均控制在允许范围内，现场未见明显底鼓现象，结果表明巷道维护效果较好，优化巷道断面及支护方案后围岩变形得到了有效控制。

4 结 语

唐安煤矿3405 孤岛工作面两巷为沿空掘巷，受两侧采空区应力传递影响，巷道布置位置属于应力增高区，表现为巷道围岩应力集中，巷道所承受压力较大，为保证巷道掘进及回采期间的断面要求，通过优化巷道断面设计，增加两巷支护强度，可有效控制巷道围岩变形。具体做法为巷道支护面积由4.0 m×2.7 m 增大至4.5 m×3.5 m，支护强度由原设计的帮部等强锚杆优化为高强锚杆，为了控制两帮收敛，增加帮锚索补强支护；顶板锚索由原设计3 根增加至5 根。矿压观测结果表明巷道变形由原来的掘后20 d 左右巷道底鼓达500～800 mm，两帮收敛近300～500 mm；控制到顶底移进量最大160 mm，两帮收敛量最大180 mm，巷道围岩变形量得到了有效控制，满足了巷道采掘期间的生产需要，为同地区相似条件的孤岛工作面巷道变形控制提供了实践参考。