孤島工作動壓影響巷道圍巖支護技術研究

劉永輝

（山西焦煤汾西礦業（集團）有限責任公司賀西煤礦，山西 柳林 033300）

0 引言

孤島工作面在回采期間受到鄰近采空區側向應力疊加影響，面臨覆巖應力分布復雜、采面頂板下沉量大及回采巷道圍巖變形嚴重等問題，實現回采巷道圍巖變形有效控制是孤島工作面安全回采的基礎[1-4]。眾多學者及技術人員采用數值模擬、現場測試等技術手段對孤島工作面礦壓顯現、覆巖變形規律進行研究，并提出用高預應力強力錨桿（索）、圍巖注漿、強化巷幫支護、架棚等技術來控制巷道圍巖變形[5-6]。山西某礦31310 工作面是3 采區最后一個回采工作面，采面東西兩側均為采空區，屬于典型的孤島工作面。31310 工作面回采巷道在動壓影響下出現錨桿、錨索失效問題，圍巖變形較為嚴重，為此，文中結合31310工作面回采巷道現場情況提出圍巖支護技術，以期有效解決孤島工作面回采巷道圍巖變形嚴重問題，為采面煤炭安全、高效回采奠定良好條件。

1 工程概況

31310 工作面為孤島工作面，回采的13 號煤層埋深為630 m，煤層厚度為5.2 m、傾角為3°～5°。13 號煤層直接頂為泥巖，厚度為2.12 m，炭質泥巖互層，巖層強度較低、裂隙及層理發育；基本頂為砂質泥巖，厚度為8.89 m，巖層完整性較好，層理不發育。31310 工作面采用綜采工藝，設計采高為3.4 m，采面設計推進長度為2 600 m、斜長為158 m，兩側分別為已回采完畢的31308、31312 采空區，31310 回風巷采用沿空掘巷掘進，矩形斷面（巷寬為5.0 m、巷高為3.4 m）并與鄰近的31312 采空區留設15 m 保護煤柱，具體采面位置如圖1 所示。

圖1 采面位置示意圖

2 回風巷圍巖變形特征分析

2.1 支護體系失效情況

對回風巷圍巖變形及錨桿（索）失效等情況進行監測統計發現：巷道頂底板、巷幫最大變形量分別為970 mm、780 mm，圍巖變形量整體較大；回風巷巷幫破斷錨桿數量較多，占錨桿破斷數量的45%，巷幫變形嚴重、巖體失穩會進一步影響頂板巖體穩定性；頂板錨索失效較多，占錨索失效數量的62%。

2.2 巷道變形較大原因分析

結合31310 工作面現場情況及采面開采條件，可以判定導致回風巷圍巖變形量大、部分錨桿（索）失效的原因。

1）圍巖應力集中。31310 工作面為孤島工作面，回風巷在掘進期間會受到臨近采空區側向應力影響，加之本采面超前支承壓力影響，導致巷道頂板及巷幫煤巖體重應力集中，煤巖體破壞范圍增大?，F場實測發現頂板巖層破壞深度達到4 m 以上，當錨桿（索）錨固范圍內巖體變形量超過本身最大變形量時，錨桿（索）就容易出現破斷、失效等問題。

2）圍巖強度較低。31310 回風巷頂板巖層以泥巖、砂質泥巖為主，巖體強度較低、松散且破碎；巷幫為13 號煤層，當巷幫變形量較大時，巷幫支護用錨桿與煤體一起出現內移。巷幫收斂量較大，會進一步增大頂板下沉量，導致頂板出現彎曲、離層及局部金屬網網兜，導致部分錨桿（索）失效。

3）動壓影響。31310 回風巷臨近的31312 采空區回采結束且覆巖未完全穩定時，31310 回風巷即開始掘進，加之留設的煤柱寬度較小，導致31310 回風巷受動壓影響明顯，使得支護用錨桿（索）破斷、失效。

4）原支護不合理。31310 回風巷原支護條件下巷幫支護強度偏低，采用的支護材料未能有效控制巷幫變形，同時錨桿（索）支護初期錨固力未能達到設計要求，但隨著巷道圍巖破壞范圍增加，導致錨桿錨固力明顯下降，回風巷巷幫煤體破壞深度較大，在后續圍巖支護時應強化巷幫煤體變形控制。

3 回風巷圍巖支護技術

經過上述分析得出，在31310 回風巷圍巖變形控制時，應強化巷幫煤體變形控制，通過減少巷幫變形量來降低對頂板的影響，具體通過普錨桿（索）+注漿方式強化巷幫支護。由于錨桿螺紋較為薄弱，容易在螺紋處破斷，因此改進錨桿構件及預緊方式，使用張拉式預緊，增加錨桿（鎖）底部鋼托盤鋼板厚度，達到提高托盤剛度及強度目的；適當增大幫錨桿加固范圍，避免巷幫深部煤體出現破壞；護表用的金屬網改為雙層經緯網，充分發揮雙層經緯網強度高優點，提高護表強度，確保巷道表面平整。具體31310 回風巷支護斷面如圖2 所示。

圖2 回風巷支護示意圖（單位：mm）

1）頂板支護。31310 回風巷頂板采用Φ22 mm×2 400 mm 錨桿，錨桿材質為BHRB500 螺紋鋼，使用樹脂錨固劑提高錨固長度，并通過錨桿專用張拉設備提高預緊力，使得錨桿上施加的預緊力達到180 kN；錨桿配合金屬網及W 鋼帶提高護頂強度。頂板支護用錨索規格為Φ22 mm×6 300 mm 的鋼絞線，配合使用的調心托盤規格為300 mm×300 mm×14 mm，錨索沿著巷道軸線按照3-3 方式布置，每排布置3 根，其中一根位于巷道中部，另外兩根與巷幫間距均為1 000 mm，錨索間間距均為1 500 mm，預先施加250 kN以上的預緊力。

2）巷幫支護。巷幫采用與頂板相同規格的錨桿支護，同時采用規格為3 300 mm×1 200 mm 的雙層經緯網提高護表強度，網孔大小為40 mm×40 mm，網片間搭接寬度為100 mm。

3）巷幫注漿。為提高巷幫煤體承載能力、降低巷幫變形量，在滯后掘進迎頭100 m 以內對巷幫進行表面噴漿，并采用注漿錨桿進行滯后注漿。注漿通過注漿管與錨桿頭直接連接來實現全長注漿，注漿材料選用超細水泥。巷幫注漿孔孔徑均為32 mm，使用的注漿錨桿錨固長度為1 220 mm，使得錨固力在150 kN以上，注漿錨桿材質為BHRB500 鋼材，沿著巷幫按照2-1-2 方式布置，通過黃泥、樹脂錨固劑等加長錨固，具體采用1 支型號2330 黃泥錨固劑+2 支規格分別為MSCKb2335、MSZ2360 樹脂錨固劑錨固。在巷幫完成注漿7 d 后補打錨索，使得巷幫應力集中峰值向深部轉移并提高巷幫淺部煤體變形量。

4 現場應用效果分析

在31310 回風巷采用上文所述支護技術方案后，布置測點對支護段圍巖變形量進行監測，具體結果如圖3 所示。同時采用鉆孔窺視技術監測回風巷圍巖狀態，具體結果如圖4 所示，其中位置1、位置2 分別為回風巷里程380 m、750 m 處。

圖3 圍巖變形監測結果

圖4 鉆孔窺視成果圖

依據現場監測結果得出，采用的支護方案在降低回風巷圍巖變形量、提高圍巖完整性及改善錨桿受力狀態等方面表現出顯著優勢。

1）減少圍巖變形量?；仫L巷在原支護下，采面在回采期間回風巷頂底板、巷幫變形嚴重，其中頂板累積變形量可達到690 mm、底鼓量可達到280 mm，巷幫圍巖量可達到780 mm；圍巖嚴重變形影響回風巷使用，進而影響采面推進效率，回風巷采用改進支護方案后，巷道頂底板累積變形量為630 mm（其中頂板為360 mm、底板為270 mm）、巷幫變形累積為215 mm，回風巷圍巖變形量在允許范圍內。

2）提高圍巖完整性。從圍巖鉆孔窺視結果看出，改進支護后回風巷圍巖整體完整性得到明顯改善，巷幫強度及承載能力進一步增強頂板支護效果，增大豎向承載能力，減少頂板塑性區擴展。

3）改善錨桿受力。對回風巷原支護方式及改進支護方式下巷幫錨桿進行拉拔測試，改進支護后錨桿拉拔力峰值達到230 kN，接近錨桿桿體的最大屈服載荷，而原支護方案下錨桿拉拔力峰值僅為94.3 kN。由于改進后的回風巷支護方案通過注漿提高幫煤巖體強度及承載能力，提高錨桿圍巖控制效果。

4）提高采面生產效率?；仫L巷在原支護方案下，由于巷道變形嚴重，需耗時大量時間及人力修整巷道斷面，采面每天割2 刀煤，月進尺80 m，采用改進后的支護方案，回風巷圍巖變形量較小，巷道使用期間基本不需要修整，采面每天割3～4 刀煤，月進尺在120～160 m，生產效率提升約50%～100%。

5 結論

1）31310 工作面回風巷面原支護用錨桿、錨索存在部分失效問題，且圍巖變形量大。根據現場情況對回風巷變形量大及支護體系失效原因進行分析發現，主要原因體現為圍巖應力集中、承載能力偏低、原支護不合理及動壓影響等。

2）依據31310 回風巷圍巖變形特征、圍巖應力分布及現場地質條件，提出通過強幫護頂方式控制圍巖變形，支護措施為錨索補強支護+巷幫注漿，并給出支護方案?，F場應用后，改進后的支護方案可有效減少31310 回風巷圍巖變形量、提高圍巖整體穩定性及強度，有助于維持動壓影響巷道圍巖的穩定性。