劉永輝

（山西焦煤汾西礦業(yè)（集團(tuán)）有限責(zé)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(qū)側(cè)向應(yīng)力疊加影響，面臨覆巖應(yīng)力分布復(fù)雜、采面頂板下沉量大及回采巷道圍巖變形嚴(yán)重等問題，實(shí)現(xiàn)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(chǔ)[1-4]。眾多學(xué)者及技術(shù)人員采用數(shù)值模擬、現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試等技術(shù)手段對(duì)孤島工作面礦壓顯現(xiàn)、覆巖變形規(guī)律進(jìn)行研究，并提出用高預(yù)應(yīng)力強(qiáng)力錨桿（索）、圍巖注漿、強(qiáng)化巷幫支護(hù)、架棚等技術(shù)來控制巷道圍巖變形[5-6]。山西某礦31310 工作面是3 采區(qū)最后一個(gè)回采工作面，采面東西兩側(cè)均為采空區(qū)，屬于典型的孤島工作面。31310 工作面回采巷道在動(dòng)壓影響下出現(xiàn)錨桿、錨索失效問題，圍巖變形較為嚴(yán)重，為此，文中結(jié)合31310工作面回采巷道現(xiàn)場(chǎng)情況提出圍巖支護(hù)技術(shù)，以期有效解決孤島工作面回采巷道圍巖變形嚴(yán)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(hào)煤層埋深為630 m，煤層厚度為5.2 m、傾角為3°～5°。13 號(hào)煤層直接頂為泥巖，厚度為2.12 m，炭質(zhì)泥巖互層，巖層強(qiáng)度較低、裂隙及層理發(fā)育；基本頂為砂質(zhì)泥巖，厚度為8.89 m，巖層完整性較好，層理不發(fā)育。31310 工作面采用綜采工藝，設(shè)計(jì)采高為3.4 m，采面設(shè)計(jì)推進(jìn)長(zhǎng)度為2 600 m、斜長(zhǎng)為158 m，兩側(cè)分別為已回采完畢的31308、31312 采空區(qū)，31310 回風(fēng)巷采用沿空掘巷掘進(jìn)，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(qū)留設(shè)15 m 保護(hù)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(fēng)巷圍巖變形特征分析

2.1 支護(hù)體系失效情況

對(duì)回風(fēng)巷圍巖變形及錨桿（索）失效等情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)：巷道頂?shù)装?、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(fēng)巷巷幫破斷錨桿數(shù)量較多，占錨桿破斷數(shù)量的45%，巷幫變形嚴(yán)重、巖體失穩(wěn)會(huì)進(jìn)一步影響頂板巖體穩(wěn)定性；頂板錨索失效較多，占錨索失效數(shù)量的62%。

2.2 巷道變形較大原因分析

結(jié)合31310 工作面現(xiàn)場(chǎng)情況及采面開采條件，可以判定導(dǎo)致回風(fēng)巷圍巖變形量大、部分錨桿（索）失效的原因。

1）圍巖應(yīng)力集中。31310 工作面為孤島工作面，回風(fēng)巷在掘進(jìn)期間會(huì)受到臨近采空區(qū)側(cè)向應(yīng)力影響，加之本采面超前支承壓力影響，導(dǎo)致巷道頂板及巷幫煤巖體重應(yīng)力集中，煤巖體破壞范圍增大?，F(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)發(fā)現(xiàn)頂板巖層破壞深度達(dá)到4 m 以上，當(dāng)錨桿（索）錨固范圍內(nèi)巖體變形量超過本身最大變形量時(shí)，錨桿（索）就容易出現(xiàn)破斷、失效等問題。

2）圍巖強(qiáng)度較低。31310 回風(fēng)巷頂板巖層以泥巖、砂質(zhì)泥巖為主，巖體強(qiáng)度較低、松散且破碎；巷幫為13 號(hào)煤層，當(dāng)巷幫變形量較大時(shí)，巷幫支護(hù)用錨桿與煤體一起出現(xiàn)內(nèi)移。巷幫收斂量較大，會(huì)進(jìn)一步增大頂板下沉量，導(dǎo)致頂板出現(xiàn)彎曲、離層及局部金屬網(wǎng)網(wǎng)兜，導(dǎo)致部分錨桿（索）失效。

3）動(dòng)壓影響。31310 回風(fēng)巷臨近的31312 采空區(qū)回采結(jié)束且覆巖未完全穩(wěn)定時(shí)，31310 回風(fēng)巷即開始掘進(jìn)，加之留設(shè)的煤柱寬度較小，導(dǎo)致31310 回風(fēng)巷受動(dòng)壓影響明顯，使得支護(hù)用錨桿（索）破斷、失效。

4）原支護(hù)不合理。31310 回風(fēng)巷原支護(hù)條件下巷幫支護(hù)強(qiáng)度偏低，采用的支護(hù)材料未能有效控制巷幫變形，同時(shí)錨桿（索）支護(hù)初期錨固力未能達(dá)到設(shè)計(jì)要求，但隨著巷道圍巖破壞范圍增加，導(dǎo)致錨桿錨固力明顯下降，回風(fēng)巷巷幫煤體破壞深度較大，在后續(xù)圍巖支護(hù)時(shí)應(yīng)強(qiáng)化巷幫煤體變形控制。

3 回風(fēng)巷圍巖支護(hù)技術(shù)

經(jīng)過上述分析得出，在31310 回風(fēng)巷圍巖變形控制時(shí)，應(yīng)強(qiáng)化巷幫煤體變形控制，通過減少巷幫變形量來降低對(duì)頂板的影響，具體通過普錨桿（索）+注漿方式強(qiáng)化巷幫支護(hù)。由于錨桿螺紋較為薄弱，容易在螺紋處破斷，因此改進(jìn)錨桿構(gòu)件及預(yù)緊方式，使用張拉式預(yù)緊，增加錨桿（鎖）底部鋼托盤鋼板厚度，達(dá)到提高托盤剛度及強(qiáng)度目的；適當(dāng)增大幫錨桿加固范圍，避免巷幫深部煤體出現(xiàn)破壞；護(hù)表用的金屬網(wǎng)改為雙層經(jīng)緯網(wǎng)，充分發(fā)揮雙層經(jīng)緯網(wǎng)強(qiáng)度高優(yōu)點(diǎn)，提高護(hù)表強(qiáng)度，確保巷道表面平整。具體31310 回風(fēng)巷支護(hù)斷面如圖2 所示。

圖2 回風(fēng)巷支護(hù)示意圖（單位：mm）

1）頂板支護(hù)。31310 回風(fēng)巷頂板采用Φ22 mm×2 400 mm 錨桿，錨桿材質(zhì)為BHRB500 螺紋鋼，使用樹脂錨固劑提高錨固長(zhǎng)度，并通過錨桿專用張拉設(shè)備提高預(yù)緊力，使得錨桿上施加的預(yù)緊力達(dá)到180 kN；錨桿配合金屬網(wǎng)及W 鋼帶提高護(hù)頂強(qiáng)度。頂板支護(hù)用錨索規(guī)格為Φ22 mm×6 300 mm 的鋼絞線，配合使用的調(diào)心托盤規(guī)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(yù)先施加250 kN以上的預(yù)緊力。

2）巷幫支護(hù)。巷幫采用與頂板相同規(guī)格的錨桿支護(hù)，同時(shí)采用規(guī)格為3 300 mm×1 200 mm 的雙層經(jīng)緯網(wǎng)提高護(hù)表強(qiáng)度，網(wǎng)孔大小為40 mm×40 mm，網(wǎng)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(jìn)迎頭100 m 以內(nèi)對(duì)巷幫進(jìn)行表面噴漿，并采用注漿錨桿進(jìn)行滯后注漿。注漿通過注漿管與錨桿頭直接連接來實(shí)現(xiàn)全長(zhǎng)注漿，注漿材料選用超細(xì)水泥。巷幫注漿孔孔徑均為32 mm，使用的注漿錨桿錨固長(zhǎng)度為1 220 mm，使得錨固力在150 kN以上，注漿錨桿材質(zhì)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(zhǎng)錨固，具體采用1 支型號(hào)2330 黃泥錨固劑+2 支規(guī)格分別為MSCKb2335、MSZ2360 樹脂錨固劑錨固。在巷幫完成注漿7 d 后補(bǔ)打錨索，使得巷幫應(yīng)力集中峰值向深部轉(zhuǎn)移并提高巷幫淺部煤體變形量。

4 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果分析

在31310 回風(fēng)巷采用上文所述支護(hù)技術(shù)方案后，布置測(cè)點(diǎn)對(duì)支護(hù)段圍巖變形量進(jìn)行監(jiān)測(cè)，具體結(jié)果如圖3 所示。同時(shí)采用鉆孔窺視技術(shù)監(jiān)測(cè)回風(fēng)巷圍巖狀態(tài)，具體結(jié)果如圖4 所示，其中位置1、位置2 分別為回風(fēng)巷里程380 m、750 m 處。

圖3 圍巖變形監(jiān)測(cè)結(jié)果

圖4 鉆孔窺視成果圖

依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果得出，采用的支護(hù)方案在降低回風(fēng)巷圍巖變形量、提高圍巖完整性及改善錨桿受力狀態(tài)等方面表現(xiàn)出顯著優(yōu)勢(shì)。

1）減少圍巖變形量?；仫L(fēng)巷在原支護(hù)下，采面在回采期間回風(fēng)巷頂?shù)装?、巷幫變形?yán)重，其中頂板累積變形量可達(dá)到690 mm、底鼓量可達(dá)到280 mm，巷幫圍巖量可達(dá)到780 mm；圍巖嚴(yán)重變形影響回風(fēng)巷使用，進(jìn)而影響采面推進(jìn)效率，回風(fēng)巷采用改進(jìn)支護(hù)方案后，巷道頂?shù)装謇鄯e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(fēng)巷圍巖變形量在允許范圍內(nèi)。

2）提高圍巖完整性。從圍巖鉆孔窺視結(jié)果看出，改進(jìn)支護(hù)后回風(fēng)巷圍巖整體完整性得到明顯改善，巷幫強(qiáng)度及承載能力進(jìn)一步增強(qiáng)頂板支護(hù)效果，增大豎向承載能力，減少頂板塑性區(qū)擴(kuò)展。

3）改善錨桿受力。對(duì)回風(fēng)巷原支護(hù)方式及改進(jìn)支護(hù)方式下巷幫錨桿進(jìn)行拉拔測(cè)試，改進(jìn)支護(hù)后錨桿拉拔力峰值達(dá)到230 kN，接近錨桿桿體的最大屈服載荷，而原支護(hù)方案下錨桿拉拔力峰值僅為94.3 kN。由于改進(jìn)后的回風(fēng)巷支護(hù)方案通過注漿提高幫煤巖體強(qiáng)度及承載能力，提高錨桿圍巖控制效果。

4）提高采面生產(chǎn)效率?；仫L(fēng)巷在原支護(hù)方案下，由于巷道變形嚴(yán)重，需耗時(shí)大量時(shí)間及人力修整巷道斷面，采面每天割2 刀煤，月進(jìn)尺80 m，采用改進(jìn)后的支護(hù)方案，回風(fēng)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(jìn)尺在120～160 m，生產(chǎn)效率提升約50%～100%。

5 結(jié)論

1）31310 工作面回風(fēng)巷面原支護(hù)用錨桿、錨索存在部分失效問題，且圍巖變形量大。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況對(duì)回風(fēng)巷變形量大及支護(hù)體系失效原因進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，主要原因體現(xiàn)為圍巖應(yīng)力集中、承載能力偏低、原支護(hù)不合理及動(dòng)壓影響等。

2）依據(jù)31310 回風(fēng)巷圍巖變形特征、圍巖應(yīng)力分布及現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)條件，提出通過強(qiáng)幫護(hù)頂方式控制圍巖變形，支護(hù)措施為錨索補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)+巷幫注漿，并給出支護(hù)方案?，F(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用后，改進(jìn)后的支護(hù)方案可有效減少31310 回風(fēng)巷圍巖變形量、提高圍巖整體穩(wěn)定性及強(qiáng)度，有助于維持動(dòng)壓影響巷道圍巖的穩(wěn)定性。