综采原位沿空留巷围岩控制技术研究

文/翟来军

综采原位沿空留巷围岩控制技术研究

文/翟来军

沿空留巷是合理开发煤炭资源，提高煤炭回收率，改善巷道维护，减少掘进量，有利于矿井安全生产和改善矿井技术经济效益的一项先进的地下开采技术。推行沿空留巷，不仅对生产矿井进行技术改造、缓和采掘关系和延长矿井使用寿命具有现实意义，而且也是煤炭企业改善安全条件和技术经济指标，增产增盈减亏的主要途径之一。目前对于综采原位沿空留巷技术的研究尚少，本文就冀中能源峰峰集团小屯矿2106工作面综采大断面原位沿空留巷支护形式、回采期间巷道变形规律以及锚杆受力的观测进行了阐述。

一、地质概况

小屯矿为高瓦斯矿井，2007年度瓦斯等级鉴定结果为：矿井瓦斯绝对涌出量55.41m3/min，瓦斯相对涌出量为11.45m3/t。煤层自然发火期为3~6个月，煤尘具有爆炸危险。为降低技术开发风险，综采原位沿空留巷技术应用研究工业性试验点选在小屯煤矿瓦斯含量偏低且煤层自然发火期尚短的2106综采工作面。

2106综采工作面位于东一采区南部东侧，工作面西侧为未被开采的实体煤层；东侧2104工作面；南部至南风井保安煤柱线；北部为东一集中皮带运输石门。工作面倾斜长度230m，走向长度767m；工作面地面标高67.20m~69.10m，井下标高为-354m~-390m。

2106综采工作面开采2号煤，煤层赋存稳定，倾角大部分为5°，平均厚4.5m，普氏坚固性系数f=1~1.5；煤层顶板为二类Ⅱ级，伪顶厚0~0.8m，为炭质泥岩，分布不稳定；直接顶厚0~7m，平均4m，为泥质粉砂岩，层理一般不太发育，完整性较好，普氏系数f=3~4；老顶厚5~14m，一般8~10m，为中细砂岩，普氏系数f=6~8；底板为厚0.6m的泥质粉砂岩及厚2m的细砂岩，普氏系数f=3~4。

二、巷道支护方式及支护参数

原巷道设计断面为矩形断面，宽×高=5.0m×3.0m。

支护参数确定原则是：高预应力、加长或全长锚固；应力扩散，增大护表构件的刚度和强度；组合支护，锚杆锚索匹配，保证支护整体性能；高强度、高刚度、高可靠性、低密度。

1.顶板支护

巷道顶板采用7根Ⅳ级左旋锚杆专用螺纹钢超高强预拉力锚杆加4.8m长T1型钢带、φ10mm钢筋网或φ6mm冷拔电弧金属网联合支护。

锚杆规格为φ22-M24-2600mm，每根锚杆配套φ30钻孔、三节Z2350型树脂药卷加长锚固；锚杆间距750mm，排距800mm、锚杆预紧力不低于60~80KN，锚固力不低于120KN，锚杆预紧力矩不小于300N·m。

巷道顶板每3排锚杆布置11套高于应力锚索梁，呈“4-3-4”布置，眼孔深度6m，锚索与顶板垂直。

2．两帮支护

巷道两帮采用4根左旋锚杆专用螺纹钢高强预拉力锚杆加2.6m长M4型钢带、φ10mm钢筋网、φ6mm冷拔电弧金属网或钢塑复合网联合支护，锚杆规格φ20-M22-2500mm。每根锚杆采用二节Z2350型中速树脂药卷加长锚固；帮部锚杆间距为800mm，排距为800mm。锚杆预紧力不低于60~ 80KN，锚固力不低于80KN，锚杆预紧力矩不小于300N·m。

3．超前工作面扩帮与大断面巷道加固支护技术

在2106综采工作面前方，对回采侧煤壁进行超前扩帮处理，如存在伪顶，应将伪顶破除。顶板采用锚杆、锚索加固。顶板锚杆间排距为800mm×1000mm，每排三根锚杆，锚杆规格为φ20-M22-2500mm等强锚杆，钢筋梯长2.2m。每根锚杆采用一节CK23120型树脂药卷。锚索三花布置，锚索间距1925mm，排距1600mm。锚索规格为φ21.8×4300mm，采用一卷CK23120药卷。

4．沿空留巷加强支护

长度2.4m为大柈护帮作梁，单体支柱作腿，平行巷道与顶板钢带垂直布置，大柈护帮下布置双排铰接顶梁，实行一梁两柱，柱距0.6m，铰接顶梁平行巷道方向布置。布置在巷道中部，两排铰接顶梁间距为1.2~1.6m。每排支护要打齐、打直，在大柈护帮与顶板钢带交汇处打单体支柱，单体支柱与大柈护帮垂直且配有防倒链，确保防倒链扎实有效。

三、原位沿空留巷充填设备与工艺

巷内充填随回采工作面的推进而间续逐段实施，其作用与工作面后方沿空留巷侧向顶板运动规律密切相关。顶板前期活动规律以旋转下沉为主，来压强度较小，充填体的作用力主要是平衡巷道上方直接顶及其悬臂部分岩层的重量。同时，为保持巷道顶板的完整性，增加直接顶的稳定能力，要求充填体与巷内支护共同作用，保持直接顶与基本顶的紧贴。而原位充填的充填工艺，使充填速度加快，更好地为充填体提供了支撑。下帮安装H型杆体可拉伸锚杆，再施工顶锚杆。顶板锚杆安装完成8小时之后，可撤除临时支架。

充填采用ZZTM2×6400/21/ 35H型液压充填模板支架，前移机械立模，通过四根立柱支撑顶梁，主要承受顶板的垂直压力；通过掩护梁及前、后连杆与底座各自铰接构成四连杆机构，来承受支架所承受的水平力和侧向力；底座设有抬底座装置；前梁带有伸缩梁和护帮梁；顶梁设有侧护板，保护性能好，支架纵横稳定性强。支架后部设置有后顶梁，可通过后面两根立柱支撑，起临时支护作用。支架各构件之间及结构件与液压元件均通过销轴、螺栓等连接，管路连接采用快速接头、U型卡，拆装维护方便。

四、巷道锚杆受力观测结果与分析

监测锚杆受力是巷道矿压监测的重要内容之一。通过监测支护体受力大小与分布，可全面地了解锚杆工作状况，判断锚杆是否发生屈服和断裂，评价巷道围岩的稳定性与安全性，锚杆支护设计是否合理。

观测数据表明，2106综采工作面巷道锚杆受力规律如下：实体煤帮处顶锚杆的最大荷载为5kN，帮锚杆最大荷载为24kN，平均荷载为16kN，充填体处顶锚杆最大荷载为8kN。因充填体支护及时，顶板所受垂直应力较小，所以顶锚杆荷载比较低。同时，由于充填体变形相对较大，实体煤帮承受较大的应力，因此帮锚杆平均荷载相对较大，但在沿空留巷期间充填带顶锚杆和帮锚杆还未出现屈服现象，充分表明锚杆还有较大的承载空间。

五、结论

1.整个观测过程中，巷道顶板下沉速度较低，顶板主要矿压显现为破碎岩块兜冒现象。顶板良好的变形控制得益于掘进期间锚带网索组合支护技术对顶板的控制，以及沿空留巷期间巷内单体支柱辅助加强的措施。

2.2106综采工作面综采原位沿空留巷技术应用研究现场工业性试验证实，该支护设计能够有效控制综采大断面原位沿空留巷的强烈变形，提高了围岩的稳定性，有效抑制顶底板、两帮的变形。在整个服务期间，巷道经历了掘进影响期、掘进稳定期、采动影响期三个阶段，工作面的回采对巷道围岩变形的影响最为严重，但顶底板相对总移近量634mm，两帮相对移近量仅423mm，沿空留巷稳定后巷道最终断面面积大于10m2，满足了支护要求，综采大断面原位沿空留巷支护应用取得了初步的成功，为以后同类巷道的支护提供了宝贵经验。

（作者单位：冀中能源峰峰集团小屯矿）

（责任编辑：周琼）