深井孤岛面巷道围岩变形压力转移支护技术研究

田启生 杨永刚 王先成

1.淮南矿业集团潘三煤矿， 安徽 淮南 232096 2. 安徽省煤炭科学研究院采矿支护中心，安徽 合肥 230001

深井孤岛面巷道围岩变形压力转移支护技术研究

田启生1杨永刚2王先成1

1.淮南矿业集团潘三煤矿， 安徽 淮南 232096 2. 安徽省煤炭科学研究院采矿支护中心，安徽 合肥 230001

受深井高地压及复杂围岩应力环境影响，孤岛工作面巷道在掘进与回采期间变形严重，难以满足安全高效回采的要求。针对潘三矿1472（3）沿空巷道围岩控制技术难题，提出了顶板以锚索支护为主，锚杆支护为辅、巷帮锚索桁架为核心的巷道围岩变形压力深部转移支护技术。经现场实践表明，该支护技术能够有效控制巷道围岩变形，显著降低巷道维护成本。

孤岛工作面；变形压力；深部

深井高应力复杂条件下的巷道支护已经成为当前和今后长期影响煤矿安全生产和效益的技术性难题，并随着采深的持续增加而越发突出和严重。深部岩体所处的复杂的三高（高地应力、高温度、高渗透压）环境及强烈的时间效应导致深部岩体组织结构、基本行为特征和工程响应均发生根本性改变，地下水、瓦斯等多、多相耦合作用均对岩体产生极大影响。同时，为了避免生产和接替工作面之间的干扰，采区内工作面之间被迫采用跳采、接替方式，不可避免地形成孤岛工作面。此时上下顺槽均为沿空巷道矿压，显现明显使得采用常规支护设计的深部沿空巷道工程稳定性越来越难以控制，巷道断面收缩严重，有些巷道需要反复维修，从而造成巷道的维护费用高出掘进费用数倍，严重影响矿井安全高效生产。

淮南矿业集团潘三煤矿1472（3）工作面为孤岛工作面，上下顺槽是典型的深井高地压沿空巷道。巷道围岩应力环境复杂，锚梁网支护将显得非常困难，采用何种支护形式和支护参数保证该沿空巷道的安全、快速施工是保证工作面正常接替的关键性问题，也是过去普通锚梁网支护中未曾遇到过的新问题，具有重要的理论意义和实践意义。

1 工程概况

潘三矿1472（3）工作面位于一水平西二采区，标高-726～-750m。回采煤层为13-1煤层，煤厚2.4～6.9m，均厚3.2m，黑色，水平层理，以块状暗煤为主。煤（岩）层产状155～220°∠2～18°，平均倾角8°。根据使用要求，巷道沿煤层顶板掘进，1472（3）工作面回采巷道设计断面宽5.2m，中高3.2m，有效断面为16.64 m2，留设煤柱8m。具体的巷道采矿地质条件如下：

（1）1472（3）工作面下方为2009年10月底收作的1492（1）工作面和2007年5月收作的14102（1）工作面，该工作面将整体处于11槽煤的弯曲下沉带内，巷道围岩应力环境发生了重大改变，围岩可能已经发生沉降、离层甚至断裂，巷道围岩变形及稳定性控制较为困难。

（2）直接顶岩性变化大，部分地段为砂质泥岩与13-2煤组成的复合顶板，层高4.1m，复合顶板的存在，且属于高位复合顶板，给巷道支护参数的确定带来影响。

（3）巷道埋深大，压力大，煤柱受到采场“大结构”的影响，煤柱很大深度范围内破坏严重，可锚性严重降低甚至丧失，给巷道变形控制带来影响；

（4）该面为孤岛工作面，上下顺槽均处于沿空状态，覆岩压力较为集中，一侧巷道的失稳将直接影响工作面的通风安全，必须有效控制巷道围岩变形，同时保证工作面上、下顺槽在掘进与工作面回采期间的安全、畅通。相比于单条沿空掘巷的工作面，对孤岛工作面沿空巷道支护的稳定性及安全性要求更高。

（5）巷道宽度达5.2m，巷道宽度的加大，增加了巷道锚梁网支护的困难，同时也增加了巷道顶板可能冒落的高度，有可能使锚杆支护的效果降低、甚至完全失去效果。

2 巷道支护对策

（1）采用以锚索支护为主、锚杆支护为辅的支护方式，提高顶板的支护强度，防止顶板在巷道空间内断裂。当沿空巷道掘进时，必须通过支护手段控制顶板的垮落，使设计锚索支护的锚固深度大于顶板的可能的离层高度，使锚索能够锚固到比较稳定的顶板岩层中；采用组合锚索支护，实现锚索预紧力的有效扩散，提高顶板支护的整体性，充分发挥锚索的支护性能和支护潜力；

（2）加强煤柱帮支护强度，提高其支承能力，控制其变形。普通巷帮锚杆支护只能对煤柱的碎胀变形或松动变形起到约束作用，并不能阻止煤柱的整体性移出。煤柱破坏后便不再具有可锚性，或可锚性很低，安装在煤柱中的锚杆的支护作用有限。巷帮采用锚索桁架方式可将浅部煤柱的变形压力转移到深部岩体。

（3）沿空掘巷时，由于侧向支承压力影响，煤柱已破碎严重，支承能力低，巷道顶板的压力可能会转移到工作面侧的煤体上，这无疑会加大实体煤侧的变形。为了控制巷道顶板的下沉离层，保持巷道的稳定和安全，也需要加大工作面侧巷帮的支护强度，采用桁架锚索支护将浅部煤柱的变形压力转移到深部。

3 巷道支护方案

基于采矿地质条件分析以及，提出巷道支护设计方案，见图1。

巷道顶板采用两种支护单元进行支护：第1支护单元由锚杆和M5钢带组成，钢带长度4.8m。钢带沿巷道顶板横向布置，每根钢带上安装6根锚杆，除肩窝位置两根锚杆与铅垂面15°角锚入外，其余均穿过钢带孔全部垂直顶板锚入。为便于管理及施工方便顶板锚杆统一采用Φ22×2400mm左旋螺纹钢等强锚杆。采用网孔不大于40mm的8#金属网紧贴顶板铺设，纵向搭接，搭接长度200mm。搭接处用12#铁丝扎结，且用钢带压茬。

第2支护单元由T3钢带和锚索组成锚索桁架，沿巷道纵向共布置4排锚索桁架。锚索桁架距巷帮800mm布置，其余均间隔1200mm，中间两排与两侧T3钢带沿巷道纵向错开800mm布置。每根T3钢带上布置3根锚索。锚索穿过T3钢带上的安装孔垂直顶板安装。金属网紧贴顶板铺设，M钢带压住金属网，T3钢带压住M5钢带。沿巷道纵向，相邻的两根T3钢带不搭接，相距400mm。

巷帮采用锚杆+平钢带+锚索桁架进行支护。沿巷道高度共布置4排平钢带，平钢带沿巷道纵向布置，每根平钢带上布置3根锚杆。巷帮锚索桁架为T3钢带，竖向安装，并压住中间两排平钢带。每根T3钢带上布置2根锚索，上部一根锚索以水平面成20°的仰角锚入，底部一根锚索距底板600mm水平锚入。锚杆的间、排距为800×800mm，长度2800mm，T3钢带长度为1800mm，锚索间排距为1600×1600mm。

图1 巷道支护设计方案

4 沿空巷道数值计算分析

（1）模型建立

采用UDEC3.1对巷道支护参数进行模拟分析计算。数值模型的建立根据潘三矿地质条件，巷道埋深740m。巷道顶底板岩性参数以矿方提供的柱状图为准。模型大小长×高=850×400m，包括1472（3）工作面临近的采面14102（1）工作面、1462（3）工作面、1482（3）工作面、1492（1）工作面等。模型两侧限制水平方向移动，模型底边限制水平方向和垂直方向移动，模型上表面为应力边界，根据巷道埋深计算顶面加自重荷载q垂直=12.5MPa（q=rh）作为补偿载荷，材料破坏遵循Mohr-Coulomb强度准则。

（2）计算分析

巷道顶底板及两帮最大位移量见表1所示。

表1 巷道围岩最大位移量

由表1结合图2巷道围岩位移矢量及图3塑性区分布图可以看出，未支护时，顶底板移近量为906.9mm，两帮移近量为552.7mm，底鼓量占顶底板移近量的68.2%，煤柱帮变形量为两帮移近量的47.5%。总体来看，顶底板变形量以底鼓为主，顶板表现为整体下沉，约占总量的60%以上，两帮变形基本呈对称分布；巷道支护后顶板下沉量211.7mm，底鼓量为546.3mm，顶板表现为整体下沉，较未支护下沉降低61%，底板未支护相比无支护状态变化不大，两帮变形量显著减小至215.1mm，相比无支护状态下降61%。由此可见，支护后顶板锚杆和锚索发挥了重要作用，锚杆和锚索通过较高的预应力作用于顶板，使得顶板岩层形成组合梁结构，抗剪强度和抗变形能力大幅提高，从而维护了巷道顶板稳定；煤柱帮的锚索桁架支护系统将浅部煤体的变形转移到深部，倾斜的锚索锚固段深入到顶底板岩体内，生根点位于稳定岩层内，有效控制了煤帮变形，而实体煤帮采用长锚杆进行了支护，支护效果也明显好于短锚杆支护，但较锚索桁架支护较差。

图2 围岩位移矢量分布

图3 围岩塑性区分布

（3）模拟结论

通过对孤岛工作面双沿空巷道的模拟分析，可以得出如下结论：

a 沿空掘巷后，巷道两帮煤体已发生松散破坏，可能发生的塑性破坏的深度达3m以上，采用普通短锚杆对控制巷帮变形效果不明显，巷帮采用桁架锚索，并将锚固段深入到顶底板稳定岩层中，可以有效控制煤帮整体向巷道空间内的位移。

b 巷道支护参数及方案能够有效控制巷道围岩变形。巷道两帮变形量在300mm以内，顶底板移近量600mm以内，且以底鼓为主，能够满足巷道使用要求。

5 巷道围压控制效果

在巷道开掘过程中布置了多个测点进行巷道围岩位移、压力的监测，限于篇幅，列举轨道顺槽内其中一个测站进行分析，如图4所示。该测站共监测200余天，巷道两帮变形量397mm，顶底板移近量426mm，12天后围岩变形速度小于5mm/d，以后变形速度维持在1～2mm左右，处于稳定状态。

从轨道顺槽整体情况来看，巷道掘进过程中，巷道两帮变形量300~400mm不等，顶底板移近量400mm左右的范围内，巷道变形得到了有效控制。巷道自稳所需时间短，基本上11～15天后，围岩变形趋于稳定。本工作面回采时，在采煤面附近巷道断面收敛较为严重，与巷道掘进断面相比，巷道两帮总移近量为1200～1300mm左右，底鼓量为1100mm左右，采煤面附近巷道宽度保持在4000mm左右，巷高保持在2100mm左右，能够满足通风、行人等要求。

图4 巷道围岩变形曲线

6 结语

（1）提出的深井沿空巷道顶板锚索支护为主，锚杆支护为辅，巷帮锚索桁架为核心的巷道围岩变形压力深部转移支护技术，井下试验历时1年的时间，经历了掘进与回采双重考验，经矿压观测，巷道掘进至回采两帮累计移近量1200mm左右，顶底板移近量1100mm左右，巷道安全状况良好，满足使用要求，期间未卧底刷帮，实现了一次成巷；

（2）顶板锚索支护为主，锚杆支护为辅，巷帮锚索桁架为核心的巷道围岩变形压力深部转移支护技术减少了巷道维修量，降低了巷道维护成本，支护试验的成功为矿区在类似条件下的沿空巷道支护进行了有意义的尝试，并积累了宝贵经验。

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10.3969/j.issn.1001-8972.2012.09.020