張 哲，張巨峰，李文忠，胡天輝

(1. 甘肅靖遠煤電股份有限公司 魏家地煤礦，甘肅 白銀 730913；2.隴東學院 能源工程學院，甘肅 慶陽 745000)

我國傾斜煤層綜放開采造成的煤炭損失占總煤損的44%，為此，通過留設(shè)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寬度一般為3～10 m，服務(wù)期間受動壓影響，巷道支護破壞嚴重，圍巖穩(wěn)定性控制成為安全生產(chǎn)的關(guān)鍵要素。

眾多學者[1-7]對沿空掘巷圍巖穩(wěn)定性控制進行了研究，多數(shù)學者認為應(yīng)遵循“軟巖”巷道控制的思路，推廣應(yīng)用高強度預(yù)應(yīng)力錨桿支護、錨注聯(lián)合支護等技術(shù)才能提高巷道圍巖的穩(wěn)定性，往往忽略了傾斜煤層沿空掘巷非對稱承載這一突出特點，實際上，傾斜煤層沿空巷道層間相對運動劇烈，塑性剪切滑移變形量大，是導(dǎo)致巷道失穩(wěn)的關(guān)鍵因素，穩(wěn)定性控制技術(shù)需要進一步探索。

魏家地煤礦一般采用8.0 m煤柱沿空掘巷，生產(chǎn)期間，巷道底鼓嚴重，兩幫收斂劇烈，在整個服務(wù)期間，動壓顯現(xiàn)劇烈，支護體失效、破壞嚴重，需要多次擴幫、起底才能滿足使用要求，2303綜放工作面傾斜厚煤層運輸和回風兩巷道采用沿空掘巷，巷道層間運動劇烈，圍巖穩(wěn)定性難以控制，基于此，以2303運輸巷為研究對象，研究傾斜煤層沿空巷道圍巖控制與支護技術(shù)。

1 工程概況

甘肅靖遠礦區(qū)魏家地煤礦2303工作面位于西二采區(qū)3號煤層中，東部為1306和1308工作面采空區(qū)，北部為2301工作面采空區(qū)，頂部為2103和2105工作面采空區(qū)，西部為西二采區(qū)巷道保護煤柱，工作面設(shè)計走向1 122 m，傾斜長232.5 m，距上部一煤層采空區(qū)距離48 m，基本不受上覆煤層開采影響，總厚度為5.9～7.6 m，平均為7.5 m，煤巖層傾角為19～26°，平均為25°。煤層開采深度為452～536 m，運輸巷沿煤層底板掘進，巷道斷面為5.4 m×3.9 m(其中，直墻高1.2 m)，工作面布置如圖1所示。

圖1 2303工作面布置示意

2 巷道支護參數(shù)確定

2.1 錨桿材質(zhì)

因高強高預(yù)應(yīng)力錨桿的極限強度和屈服強度大，有利于圍巖穩(wěn)定性控制，且桿體表面具有凹凸螺紋，更有利于錨桿和錨固劑的粘結(jié)，因此，魏家地煤礦2303運輸巷頂板和兩幫選用材質(zhì)為BHRB335以上的高強高預(yù)應(yīng)力錨桿。

2.2 預(yù)緊力

錨桿預(yù)緊力P與預(yù)緊扭矩M有以下關(guān)系：

P=K0M

式中：K0為轉(zhuǎn)換系數(shù)，主要與錨桿直徑、螺母外接圓直徑、螺紋升角、絲扣間摩擦系數(shù)，以及螺母和托盤間的摩擦系數(shù)相關(guān)。

D22 mm×L2 600 mm的螺紋鋼錨桿，其錨桿預(yù)緊力P與預(yù)緊扭矩M值的關(guān)系見表1。由表1可知，只有預(yù)緊力扭矩達到250 N·m，錨桿預(yù)緊力才能達到60 kN。

表1 錨桿預(yù)緊力與預(yù)緊扭矩關(guān)系

2.3 巷道錨網(wǎng)支護附件

巷道錨網(wǎng)支護除了主要的錨桿外，還應(yīng)有金屬網(wǎng)、托盤等，巷道表面全部鋪設(shè)金屬網(wǎng)，托盤有200 mm×200 mm×60 mm的木托盤和125 mm×125 mm×10 mm的鐵托盤，以及#型墊板等。

2.4 巷道錨桿、錨索支護參數(shù)

1) 巷道頂板支護。拱型巷道頂部采用D22 mm×L2 600 mm高強度錨桿，間排距一般為600 mm×700 mm，每排13根，并配套1支K2360和1支Z2360樹脂藥卷進行錨固，錨桿與巷道拱型面垂直。

2) 兩幫支護。巷道兩幫采用D22 mm×L2 600 mm的高強度錨桿，間排距一般為600 mm×700 mm，每排2根，并配套1支K2360和1支Z2360樹脂藥卷進行錨固，第一排錨桿沿水平15°打設(shè)，第二排與巷幫垂直打設(shè)。

3) 錨索支護參數(shù)。巷道表面每2排錨桿打6根錨索，錨索排距為1 400 mm。煤柱幫側(cè)打設(shè)參數(shù)為D17.8 mm×L4 000 mm的3根短錨索。第一根短錨桿水平打設(shè)，一般距離底板1.0 m；第二根垂直巷幫打設(shè)，一般距離底板2.0 m；第三根沿半圓拱中心45°打設(shè)，并垂直于巷道表面。實體煤幫打設(shè)2根錨索，第一根錨索距離底板2.0 m垂直巖面安裝，參數(shù)為D17.8 mm×L7 000 mm，第二根錨索與半圓拱中心呈45°夾角垂直巖面安裝，參數(shù)為D17.8 mm×L10 000 mm。巷道拱頂中心垂直于拱頂打設(shè)1根D17.8 mm×L7 000 mm的錨索，并分別配套1支K2360和2支Z2360樹脂藥卷進行錨固，錨固長度一般為1 800 mm。

3 礦壓監(jiān)測方案

3.1 巷道礦壓監(jiān)測點布置

為研究深部巷道圍巖穩(wěn)定性，針對典型的圍巖地質(zhì)條件，進行了巷道圍巖表面位移、深部多點位移、頂板離層、煤幫應(yīng)力、錨桿和錨索受力的跟蹤監(jiān)測，從巷道開口每隔50 m布置1個測站，每個測站共6個測點，兩監(jiān)測測點沿巷道軸向間隔0.6～1.0 m，如圖2所示。

圖2 測站與測點布置圖(mm)

3.2 巷道表面位移監(jiān)測

表面位移測點布置如圖3所示，主要監(jiān)測頂板下沉量、底鼓量、底板相對移近量、兩幫位移量和相對移近量等內(nèi)容。

圖3 表面位移測點布置圖

每個監(jiān)測斷面內(nèi)采用十字布點法布置4個測點，測點通過打設(shè)D29 mm×L380 mm鉆孔，并插入D29 mm×L400 mm的木樁固定，頂板和底板木樁端部安設(shè)彎形測釘，兩幫木樁端部安設(shè)平頭測釘，用測槍、測桿或鋼卷尺進行測量，通過兩幫和頂部4個測點數(shù)據(jù)，計算頂?shù)装迨諗孔兓亢蛢蓭褪諗孔兓俊?/p>

3.3 深部多點位移監(jiān)測

采用B19接長鉆桿，D28 mm鉆頭用錨桿機在頂板中部及兩幫直墻段與拱頂交線附近處打垂直鉆孔，拱頂與實體煤幫鉆孔深度6.0 m，煤柱幫鉆孔深度4.0 m。各測點與孔口距離分別為1 m、2 m、3 m、4 m、5 m、6 m，數(shù)據(jù)處理分析后可得每個測點相對于孔底的位移，測試儀器為KDW-1型機械式多點位移計，見圖4(a)，深部多點位移測點設(shè)置如圖4(b)所示。

圖4 深部圍巖多點位移測點布置圖

3.4 錨桿和錨索軸力

分別應(yīng)用MCJ-16錨桿測力計和MCJ-25錨索測力計進行錨桿軸力和錨索軸力監(jiān)測，以判斷錨桿、錨索是否屈服、破斷，錨桿(索)測點布置見圖5。

圖5 錨桿軸力監(jiān)測測點布置圖

4 礦壓監(jiān)測結(jié)果及分析

4.1 巷道表面位移監(jiān)測

2303運輸巷共布置巷道表面位移測站2個，分別距巷道開口100 m、400 m，表面位移監(jiān)測曲線如圖6所示。

圖6 巷道表面位移監(jiān)測曲線圖

巷道開挖后，巷道兩幫移近量和頂板下沉量均急劇加大，持續(xù)時間大約5～9 d，主要是因巷道開挖破壞了圍巖的原巖應(yīng)力狀態(tài)，彈性量瞬間釋放，承載力下降，圍巖裂隙向深部延伸，形成破碎區(qū)，巷道表面位移迅速增長。隨著掘進工作的繼續(xù)，巷道圍巖變形趨于穩(wěn)定，影響期一般為15 d。煤柱寬度6.0 m時，頂板下沉量為162 mm，兩幫移近量為254 mm；煤柱寬度為8.0 m時，頂板下沉量為92 mm，兩幫移近量為360 mm；煤柱寬度為9.0 m時，頂板下沉量為114 mm，兩幫移近量為595 mm，回采期間，煤幫需要補打錨桿加強支護。巷道表面位移監(jiān)測曲線變化規(guī)律與數(shù)值模擬結(jié)果較為一致，煤柱寬度為6.0 m時頂板下沉量最大，但隨著煤柱寬度的增加變化不大，而兩幫劇烈收斂，至煤柱寬度為9.0 m時，需在回采期間煤幫補打錨桿加強支護。煤柱寬度為6.0 m時，圍巖控制效果好。

4.2 深部多點位移監(jiān)測

共布置2組巷道深部多點位移測站，分別距巷道開口100 m、400 m，多點位移監(jiān)測曲線如圖7所示。

由圖7(a)可知，深部圍巖位移的變形量整體變大，煤柱側(cè)圍巖2 m范圍松動，在2 m以外圍巖向巷道方向的移近量基本無變化，處于穩(wěn)定狀態(tài)；巷道圍巖0～1 m錨固區(qū)內(nèi)，最大位移量為17.1 mm，錨桿受力最大，但仍在極限范圍內(nèi)；巷道圍巖1～1.5 m錨固區(qū)內(nèi)，最大變形量為5.5 mm，巷道圍巖1.5～2 mm錨固區(qū)內(nèi)，圍巖變形量最大為7.8 mm，仍在錨索極限范圍內(nèi)，煤柱比較穩(wěn)定。

圖7 煤柱側(cè)深部圍巖位移監(jiān)測曲線圖

由7(b)可知，深部圍巖位移變形量整體變大，實體煤側(cè)2 m范圍松動，2 m以外的圍巖向巷道方向的移近量基本無變化，基本處于穩(wěn)定狀態(tài)；巷道圍巖0～1 m錨固區(qū)內(nèi)，圍巖的最大位移量為31.4 mm，錨桿受力較大，但仍處于極限范圍內(nèi)；巷道圍巖1～1.5 m錨固區(qū)內(nèi)，圍巖最大變形量為51.3 mm，巷道圍巖1.5～2 m錨固區(qū)內(nèi)，巷道圍巖最大變形量為28.1 mm，一直處于錨桿的極限范圍內(nèi)。

4.3 錨桿受力

2303運輸巷共布置巷道錨桿受力監(jiān)測站2個，分別距巷道開口100 m、400 m，錨桿軸力監(jiān)測曲線如圖8所示。

由圖8可知，錨桿軸力隨時間整體呈指數(shù)增長，巷道開挖5 d內(nèi)，錨桿軸力增長較快，巷道開挖5 d后，錨桿軸力基本穩(wěn)定。錨桿位于煤柱側(cè)，由于錨桿安裝時初始預(yù)應(yīng)力較大，在巷道開挖后，煤柱部分內(nèi)部應(yīng)力隨著圍巖的變形破壞得以釋放，導(dǎo)致了前期錨桿軸力隨時間增長而減小的趨勢，其后隨著圍巖與錨桿的相互作用關(guān)系，圍巖體內(nèi)的應(yīng)力重新分布調(diào)整并最終達到平衡。此時，錨桿最大載荷為132.5 kN，而直徑22 mm的BHRB335材質(zhì)錨桿的破斷載荷為186.3 kN，因此，錨桿還有很大承載空間，巷道安全系數(shù)高。煤柱寬度越大，錨桿整體承載越大。

圖8 錨桿受力監(jiān)測曲線圖

4.4 錨索受力

2303運輸巷共布置巷道錨索受力監(jiān)測站2個，分別距巷道開口100 m、400 m，錨索軸力監(jiān)測曲線如圖9所示。

圖9 錨桿受力監(jiān)測曲線

錨索軸力隨時間整體呈現(xiàn)上升趨勢，一般地，巷道開挖5 d左右，錨索軸力快速增長，主要是因為巷道開挖造成的強卸荷導(dǎo)致圍巖擴容變形迅速增大；當巷道開挖后大約8 d時，錨索軸力呈現(xiàn)出先變大后變小的情形，主要是因為巖體及錨索內(nèi)部應(yīng)力出現(xiàn)壓縮、回彈的反復(fù)狀況；當巷道開挖15 d時，錨索軸力基本處于平穩(wěn)期，此時，錨桿承受的荷載最大，為150 kN，而2303運輸巷采用的D17.8 mm錨索最大載荷為300 kN，仍有150 kN的承載空間，工況良好。

5 巷道圍巖控制效果

2303工作面運輸巷沿空掘進后，圍巖穩(wěn)定性控制效果良好，如圖10所示，漿層未出現(xiàn)開裂、脫落現(xiàn)象，錨網(wǎng)未出現(xiàn)網(wǎng)兜現(xiàn)象，拱頂形狀完好，未出現(xiàn)平頂、偏頂?shù)茸冃维F(xiàn)象。在距巷道開口400 m位置附近，煤柱幫沿直墻段與拱頂交界處鼓出約110 mm，需要補打錨桿加強支護，巷底鼓量約為400 mm，需起底1次，巷道整體維護狀態(tài)良好。

圖10 圍巖控制效果圖

6 結(jié) 語

1) 煤柱寬度為6.0 m時頂板下沉量最大，但隨著煤柱寬度的增加變化不大，而兩幫劇烈收斂，至煤柱寬度9.0 m時，需在回采期間煤幫補打錨桿加強支護。

2) 煤柱寬度為6.0 m時，圍巖控制效果好，傾斜煤層異型煤柱沿空巷道立體協(xié)控技術(shù)有效地控制了巷道圍巖變形。