陳海瑞，張金虎，邢魯義，許永祥

(1.陜西正通煤業(yè)有限責(zé)任公司，陜西 咸陽 713600；2.天地科技股份有限公司 開采設(shè)計事業(yè)部，北京 100013；3.煤炭科學(xué)研究總院 開采研究分院，北京 100013；4.山東科技大學(xué) 礦業(yè)與安全工程學(xué)院，山東 青島 266590)

為了提高煤炭的采出率，窄煤柱護巷及無煤柱技術(shù)逐漸推廣應(yīng)用，但由于采深的逐年增加，無煤柱(小煤柱)護巷難度越來越大，且部分礦井存在沖擊傾向性，巷道圍巖出現(xiàn)大變形，嚴重制約了工作面推進速度的提高和煤炭資源的回收[1-4]。姜福興教授等[5]以沿空巷道應(yīng)力場分布為切入點，分析得到沿空巷道圍巖高應(yīng)力區(qū)附近的高應(yīng)力差區(qū)是發(fā)生沖擊地壓的主要區(qū)域，通過合理布置沿空巷道位置，調(diào)整實體煤巷幫與高應(yīng)力峰值位置間距，有效控制了沖擊地壓災(zāi)害；姜鵬飛等[6]采用數(shù)值模擬的方法分析了沿空留巷圍巖變形特征，提出了沿空留巷的合理支護對策；許永祥[7-8]通過沿空掘巷與高強度錨桿(索)高預(yù)應(yīng)力支護技術(shù)的綜合應(yīng)用，減小了特厚綜放工作面煤柱損失、改善了圍巖應(yīng)力環(huán)境；樊克恭教授等[9]針對厚煤層大斷面沿空掘巷變形嚴重等問題，綜合研究認為原巖應(yīng)力高、巷道兩幫巖性差、支護結(jié)構(gòu)及參數(shù)不合理等是導(dǎo)致巷道變形破壞的主要原因，通過小煤柱護巷和聯(lián)合加強支護方案解決了原支護需多次擴幫、臥底的難題。以上學(xué)者的研究揭示了沿空巷道及沖擊傾向性機理，并提出相應(yīng)控制技術(shù)，取得良好的效果。但目前針對大采深、有沖擊傾向性特厚煤層的無(小)煤柱沿空巷道變形機理及控制技術(shù)研究較少，本文針對高家堡煤礦大采深、特厚煤層且具有強沖擊傾向性條件，提出與此條件相適應(yīng)的窄煤柱沿空巷道讓壓支護技術(shù)并進行礦壓實測，指導(dǎo)類似條件支護方案的確定，進一步提高無(小)煤柱護巷的適應(yīng)范圍。

1 工程背景

1.1 工作面概況

高家堡煤礦103工作面是首采101工作面的接續(xù)工作面，煤厚12.3～14.4m，傾角2°～6°，埋深820～1100m?；卷敒?.9～16.4m的中粒砂巖，直接頂為0.44～6.88m的泥巖。巷道為矩形全煤巷道，凈尺寸為5000mm×3600mm。工作面位置及巷道布置如圖1所示。

圖1 工作面及巷道布置示意

1.2 原支護方案

基于經(jīng)驗法進行了103工作面支護方案的初步設(shè)計，首采101工作面詳細設(shè)計參數(shù)如表1所示。

表1 101回風(fēng)巷支護方案

通過對初始支護方案綜合分析，支護系統(tǒng)支護強度、安裝載荷(預(yù)應(yīng)力)和錨桿(索)參數(shù)等存在一定問題，根據(jù)康紅普院士[10-12]研究結(jié)果，錨桿預(yù)應(yīng)力太低，無法限制圍巖的早期變形，出現(xiàn)松動圈逐步加大，造成錨桿失效；同時針對存在沖擊地壓的特點，支護系統(tǒng)應(yīng)具有可變現(xiàn)性和讓壓性。通過101支護效果現(xiàn)場實測結(jié)果，剖析存在問題，對103工作面巷道進行針對性的設(shè)計。

1.3 101工作面回風(fēng)巷道圍巖結(jié)構(gòu)實測

為掌握沿空巷道圍巖松動圈破壞范圍，采用CXK6型礦用本安型鉆孔成像窺視儀對回風(fēng)巷道圍巖松動圈發(fā)育形態(tài)進行測試分析。

對于每個測站的巷道斷面，頂板打3個鉆孔、兩幫各打1個鉆孔，孔深4m左右，鉆孔電視探測鉆孔布置如圖2所示。圍巖松動圈鉆孔電視測試結(jié)果如圖3所示。

圖2 圍巖松動圈探測鉆孔

圖3 圍巖結(jié)構(gòu)鉆孔電視測試結(jié)果

由鉆孔成像圖可以看出，對于頂板中部和工作面幫在鉆孔深度范圍內(nèi)，淺部煤層裂隙比較發(fā)育、破碎，煤層在1.5～1.6m深度仍發(fā)育有明顯裂隙，2.2m深度以內(nèi)的煤層未再有裂隙出現(xiàn)，可以確定該斷面頂板中部的松動圈大小為2.2m。對于煤柱幫鉆孔，1.8m處的煤體依然比較破碎，2.6m處仍有裂隙出現(xiàn)，3.0m深度以內(nèi)的煤層尚未發(fā)現(xiàn)有明顯裂隙，所以，該斷面生產(chǎn)幫中部的松動圈大小為2.6m。據(jù)此得知松動圈在小煤柱側(cè)最大為2.6m，在實體煤一側(cè)最大為2.2m。

在現(xiàn)用的支護體系作用下，巷道圍巖松動圈總體的變化范圍為2200～2600mm，均屬于大松動圈中的Ⅴ類不穩(wěn)定圍巖。松動圈實測為錨固范圍的確定提供了依據(jù)。

1.4 沖擊傾向性評價

基于地質(zhì)因素影響下沖擊地壓危險指數(shù)、開采技術(shù)因素影響下沖擊地壓危險指數(shù)和沖擊地壓危險性綜合指數(shù)對沖擊危險等級進行綜合評價，由于4煤層彈性能量指數(shù)為12.45，本身具有強沖擊傾向性，最大埋深大于1000m，煤層上覆巨厚巖層，不僅易懸頂而導(dǎo)致彎曲彈性能在煤體內(nèi)積聚，還會因斷裂產(chǎn)生沖擊動載誘發(fā)沖擊地壓，上述綜合因素造成沖擊危險等級為強沖擊危險。

1.5 巷道變形機理分析

通過現(xiàn)場礦壓觀測結(jié)果得出，由于錨桿預(yù)應(yīng)力過低且表面支護不完善無法限制圍巖早期變形，導(dǎo)致松動圈擴大且無法進一步限制圍巖運動造成巷道大變形，表面煤體破碎或托盤發(fā)生翻轉(zhuǎn)變形，造成錨桿、錨索失效。

2 沿空巷道支護方案設(shè)計

2.1 設(shè)計原則

支護體(錨桿或錨索)和圍巖間必須達到圍巖應(yīng)力-錨桿載荷平衡(應(yīng)力-耦合)，圍巖位移-錨桿變形協(xié)調(diào)(變形耦合)。為了保證圍巖穩(wěn)定性和防止錨桿(索)破斷，錨桿(索)支護設(shè)計必須滿足：足夠的安裝載荷以保證及時主動支護；適當(dāng)?shù)闹ёo強度以保證錨桿(索)和圍巖間的應(yīng)力載荷平衡(應(yīng)力-載荷耦合)；圍巖表面位移滿足圍巖穩(wěn)定性要求；足夠的延伸距離以保證錨桿(索)和圍巖間的變形協(xié)調(diào)(變形耦合)；合理的錨桿(索)的有效支護長度。

2.2 巷道圍巖控制原理

(1)高預(yù)應(yīng)力 高家堡煤礦103工作面回風(fēng)巷圍巖和支護系統(tǒng)受到深井高地壓、強沖擊傾向性和采動應(yīng)力的綜合影響，因此，要求巷道的支護系統(tǒng)應(yīng)具有足夠的強度來適應(yīng)巷道的地質(zhì)與采礦條件。

(2)可變現(xiàn)性及讓壓性 根據(jù)前期礦壓監(jiān)測結(jié)果，回采巷道受工作面動壓影響，會發(fā)生明顯變形。支護系統(tǒng)必須具有讓壓變形功能以讓掉“不可控制”的變形，讓壓必須是在一定支護強度基礎(chǔ)上的控制讓壓即緩慢讓壓，以防止支護系統(tǒng)失效。

(3)輔助措施 合理的表面控制措施要求護表構(gòu)件不僅要有合理的剛度和護表面積，而且要求其抗彎性能要好，保證在巷道圍巖壓力和變形較大的情況下適應(yīng)變形需要；同時優(yōu)化材料結(jié)構(gòu)，使其具有抗沖擊性，適應(yīng)開采條件要求。

2.3 支護方案

基于整體耦合讓壓理念進行了支護方案優(yōu)化，優(yōu)化后支護方案見表2和圖4。

表2 103回風(fēng)巷優(yōu)化后支護方案

圖4 優(yōu)化后支護參數(shù)

(1)錨桿 新支護方案錨桿桿體的材質(zhì)由普通強度的Q335提高到Q500，提高支護強度；桿體沖擊功由原來大于45J提高到大于100J，增加抗沖擊能力；桿體直徑由20mm提高到22mm，提高支護強度；錨桿長度由2300mm提高到2800mm，避免松動圈擴大后錨桿失效；錨桿結(jié)構(gòu)由全螺紋錨桿變?yōu)闈L絲錨桿，提高錨桿的預(yù)緊力；錨固端由普通螺紋結(jié)構(gòu)改為蛇形結(jié)構(gòu)，提高錨固力；增加了讓壓環(huán)，增加錨桿變形量，實現(xiàn)耦合讓壓支護效果，適應(yīng)巷道動壓和大變形特點；錨桿間排距由800mm×800mm，提高到980mm×1000mm(頂板)和1000mm×1000mm(兩幫)，提高錨桿的支護效率，提高巷道掘進速度。

(2)錨索 在煤柱側(cè)增加兩排錨索，提高幫部支護的效果；幫部錨索錨固端增加密集鳥窩結(jié)構(gòu)，解決幫部錨索“三徑比”不合理、錨固力不足的難題；增加了讓壓環(huán)，增加錨索變形量，實現(xiàn)耦合讓壓支護效果，適應(yīng)巷道動壓和大變形特點；錨索間排距由1300mm×800mm，提高到1500mm×1000mm，提高錨索的支護效率。錨索耦合讓壓結(jié)構(gòu)見圖5。

圖5 錨索耦合讓壓結(jié)構(gòu)

(3)表面支護 采用W鋼帶和鋼帶托盤代替鋼筋梯，提高表面支護強度；錨索采用JM錨索梁代替T型錨索梁，增加護表效果。

3 巷道圍巖支護效果評測

3.1 沿空巷道煤體應(yīng)力監(jiān)測

鉆孔應(yīng)力計及圍巖變形設(shè)置1號和2號2個測站，2測站間距70m，每個測站在煤柱側(cè)布置3m，4m，5m共3個點；在工作面?zhèn)炔贾?m，5m，7m，9m共4個點，應(yīng)力計間距為1m，如圖6所示。圖7為第2測站各測點在與工作面不同距離處不同深度鉆孔應(yīng)力的實測結(jié)果及其規(guī)律。

圖6 鉆孔應(yīng)力計布置示意

圖7 第2測站工作面幫鉆孔應(yīng)力變化實測結(jié)果

鉆孔應(yīng)力監(jiān)測結(jié)果表明：

(1)工作面幫 各測點鉆孔應(yīng)力為先增大后降低，當(dāng)測點進入超前支承壓力顯著影響區(qū)范圍內(nèi)，應(yīng)力值由最大值開始減小，得出超前壓力影響范圍約為50～60m；在超前支承壓力影響前，3m測點處的鉆孔應(yīng)力值在安裝應(yīng)力附近變化，超前壓力影響范圍內(nèi)，3m測點處的煤體應(yīng)力增大較小，說明3m測點處的煤體本身就處于較高的支承壓力作用下；5m，7m，9m測點處的鉆孔應(yīng)力值受到超前支承壓力增加明顯，且深部測點變化更明顯，說明5m，7m，9m測點處的煤體比較完整，承載能力較高，受采動影響后處于較高支承壓力作用下。為保證錨桿支護效果，同時使沿空巷道及圍巖盡可能處于較低應(yīng)力作用環(huán)境，結(jié)合101工作面?zhèn)认蛑С袎毫ΡO(jiān)測結(jié)果分析，類似條件工作面沿空掘巷小煤柱寬度不宜大于7～9m。

(2)煤柱幫 3m和5m測點處應(yīng)力較4m低，且4m測點處煤體應(yīng)力值與安裝應(yīng)力基本相當(dāng)，說明4m測點處煤體較穩(wěn)定、承載能力高，有利于發(fā)揮錨桿的錨固性能。

3.2 巷道圍巖變形量

從巷道掘出到工作面回采影響的整個過程中，在較大采深及采動影響條件下，第1測站處巷道頂?shù)装逡平繛?26mm，移近率為3.71%；第2測站處頂板平均下沉量70.5mm(因巷道積水僅測到頂板下沉量)；巷道兩幫的平均移近量僅為198.3mm，平均移近率僅為3.97%，錨桿(索)的讓壓環(huán)普遍未開啟。說明目前的支護參數(shù)及支護強度完全能夠滿足103工作面沿空巷道(回風(fēng)巷道)圍巖的支護要求，錨桿(索)預(yù)緊力整體較高，在較高的支護剛度作用下，不僅巷道淺部圍巖能夠得到及時有效支護，而且有效地防止了破碎圍巖向深部發(fā)展，提高了深部圍巖的自支承能力，大大減輕了巷道圍巖的變形程度，巷道整體支護效果良好。

4 結(jié) 論

針對高家堡煤礦大采深、特厚煤層且具有強沖擊傾向性條件，進行了沿空巷道窄煤柱支護技術(shù)研究，得到如下結(jié)論：

(1)在101工作面支護實測基礎(chǔ)之上，基于整體耦合讓壓設(shè)計理念，設(shè)計高強預(yù)應(yīng)力蛇形讓壓錨桿和鳥窩耦合讓壓錨索提高錨固范圍內(nèi)巖層的整體剛度，及時有力地抑制了巷道淺部破碎圍巖的有害變形，同時有效防止了破碎圍巖向深部發(fā)展，提高了深部圍巖的自承能力。

(2)錨桿(索)支護體系能夠提供較高的支護強度及剛度，錨桿、錨索及鋼帶等支護構(gòu)件整體能夠?qū)ο锏绹鷰r起到有效錨固作用，錨桿、錨索發(fā)揮了較高的耦合支護性能，巷道整體支護效果良好。