高应力三软煤层小煤柱沿空掘巷强化支护探索

陈泉建 杨 栋

（平顶山天安煤业股份有限公司六矿，河南省平顶山市，467000）

高应力三软煤层小煤柱沿空掘巷强化支护探索

陈泉建 杨 栋

（平顶山天安煤业股份有限公司六矿，河南省平顶山市，467000）

针对高应力三软煤层小煤柱沿空掘巷底臌和两帮收敛变形的难题，平煤股份六矿根据沿空掘巷工作面的地质条件，按照 “强顶固帮、控制底脚”的支护理念，通过强化顶板及小煤柱支护，加大底板支护控制，使巷道两帮收敛变形及底臌量得到了很好的控制。

小煤柱 沿空掘巷 强顶固帮 底臌治理

1 工程概况

平煤股份六矿丁5.6-21110风巷位于二水平丁一采区下部东翼，巷道沿丁5.6煤层顶板施工，丁5.6煤层厚度为1.7～3.4 m，煤层倾角8°～13°，巷道标高-512～-539.9 m，垂深在780～810 m之间，煤层为松软突出煤层，煤层普氏系数为0.5～0.8，煤层顶底板岩性均为泥岩或砂质泥岩，普氏系数为0.8～2，抗压强度5.8～33.2 MPa。丁5.6-21110风巷沿丁5.6-21090采空区掘进施工，方位与丁5.6-21090机巷方位一致。巷道平面布置见图1。丁5.6-21110风巷设计走向长1668 m，巷道为梯形断面，断面尺寸为5.2 m×3.5 m （宽×高）。有文献研究了不同宽护巷煤柱沿空掘巷掘采全过程的应力场分布规律，提出了仅考虑掘巷扰动影响时，沿空掘巷煤柱宽度应大于6 m，当考虑超前采动影响时，合理的护巷煤柱宽度为8 m。由于丁5.6-21110风巷处于煤与瓦斯突出危险区域，为便于瓦斯治理同时提高回采率，丁5.6-21110风巷与丁5.6-21090采空区煤柱宽度仅留5 m，煤柱较小，煤柱受采空区及掘巷扰动影响严重，支护难度极大。

原支护方案为顶锚杆使用ø22 mm×2400 mm高强锚杆，每排8根，锚杆间排距为700 mm×800 mm，帮锚杆使用ø20 mm×2200 mm等强锚杆，上帮5根，下帮4根，锚杆间排距为800 mm×800 mm；顶板每排挂1片3.6 m×1.0 m和1片3.0 m×1.0 m的单层金属网，上帮挂1片3.6 m×1.0 m单层金属网，下帮挂1片3.0 m×1.0 m单层金属网，金属网选用冷拔钢丝片网，钢丝网采用直径6 mm的冷拔丝制成，网孔规格50 mm×50 mm。锚索采用ø17.8 mm×8000 mm的高强锚索，每排4根，锚索间排距为1400 mm×2400 mm。

巷道在掘进期间两帮收敛变形量在1.5～2.5 m之间，底臌量在0.8～1.5 m之间，丁5.6-21110风巷工作面在掘进及采面安装期间常需要多次停工进行巷道扩帮、拉底维修。回采期间仍需超前扩修，扩帮量在1.0～1.5 m，而且至少每3个月拉底一次，累计拉底工程量厚度在1.5 m以上，严重制约了煤矿安全生产和采掘工效。

图1 巷道平面布置图

2 巷道收敛变形原因

（1）开采煤层属于典型的高应力三软煤层。目前平煤股份六矿开采深度在600～860 m，巷道开挖后深部的原岩应力及采掘过后形成新的应力平衡状态时的围岩压力大，巷道支护困难且容易收缩。同时巷道顶底板以泥岩及砂质泥岩为主，易变形，围岩 （煤）体抗压强度低，完整性差。

（2）煤岩体松动圈较大。沿空掘巷受相邻回采工作面采空区顶板垮落影响，巷道围岩 （煤）体松动圈大，特别是小煤柱几乎全部为松动煤体，承压效果差，易变形。

（3）未对松动范围的煤 （岩）体采取强有力的支护。小煤柱的支护未受到重视，巷道掘进过程中顶板压力传递到两帮时，小煤柱承压效果差，便会出现严重的变形现象。另处，巷道掘进过程中未对底板进行支护，等到底板鼓起后再进行拉底，从而造成两帮围岩进一步松动变形，最终导致巷道失稳。

（4）顶板、巷帮支护强度不足。顶板使用的直径为17.8 mm的锚索强度低、预应力小，无法满足高应力巷道支护要求；锚杆间距大，帮顶锚杆的安装预紧力小，安装载荷不足。

3 强化支护

3.1 强化支护机理

在控制巷道收敛方面，根据巷道压力传递和收敛特点，提出了 “治帮必须强顶，治底必须固帮”理念，通过强化顶板支护，增加锚杆安装预紧力，可以减少顶板作用在两帮的压力，改善小煤柱因顶板压力作用产生的变形。通过固帮改善小煤柱的松动、破碎、整体性差的状况，使小煤柱处于三向受力状态，提高了小煤柱的强度和支撑力，从而降低小煤柱受力后的变形。巷道开挖后，围岩的塑性区从应力集中的底角开始，但塑性的发展是一个过程，在巷道围岩层暴露后立即打上底角锚杆，及时地提高底角围岩的强度，减少塑性区的发展。同时，巷道两帮、底角是围岩应力的集中区，也是围岩破碎区、塑性区发育较早的地方，这部分的煤体强度低、自承能力差，两帮的煤体下沉，导致两侧底板挤入巷道而引起大量底臌。巷道底角锚杆加固帮角，可以提高煤帮、底角锚固区围岩的强度及抵抗围岩变形的阻力，还可以提高巷道两帮围岩的自承能力，从而减少了底臌量。底板锚杆对底板的加固主要起到两种作用：一是将底板表面的软弱岩层和深部稳定的岩层连接起来，从而抑制了软弱岩层扩大、膨胀引起的裂隙张开及新裂隙的产生；二是底板表面几层软弱的岩层连接起来，组成一个组合梁，起承受弯矩的作用，同时减少了巷道的破碎程度。因此，底板的加固特别是底角的加固对底臌的控制有着十分重要的意义。

3.2 强化支护方案

（1）顶板改用19丝、直径为21.6 mm的预应力锚索，锚索间排距为1.4 m×2.4 m，预应力由原方案中的200 k N提高到300 k N。锚索盘采用400 mm×400 mm×16 mm （长×宽×高）的轧制钢板，通过加大锚索盘的受压面积分散作用在锚索盘上的应力，防止应力集中造成锚索盘损坏或凹陷，减少松散破碎岩石局部掉落影响承载拱的平衡。同时提高顶板锚杆的预紧力，将原方案预紧力提高到500 N·m，进一步提高围岩的稳定性和自身的承载能力，达到强顶的效果。

（2）两帮使用WX280型钢带，上帮 （即采空区侧帮）采用2块长度为1800 mm的W型钢带，孔距700 mm，下帮 （煤体侧帮）使用长度为2600 mm的W型钢带1块，孔距700 mm；加长、加密帮锚杆，帮锚杆长度由原方案的2200 mm加长到2600 mm，间距由800 mm缩小至700 mm，帮锚杆预紧力提高至400 N·m，从而改善小煤柱的松散破碎状态，增强小煤柱的整体性和承载能力，起到固帮作用。

（3）增设两根底角锚杆，切断来自巷道底角的塑性滑移线，削弱来自巷道两侧的挤压应力。底角锚杆采用ø20 mm×2600 mm等强左旋全螺纹树脂锚杆，排距为800 mm，上下帮底角处各施工1根，施工角度与竖直方向成45°，从而有效地控制底臌变形。改进方案与原方案支护参数对照见表1。

表1 原支护方案与改进方案支护参数对比

3.3 工艺关键点

（1）顶板锚索必须采用两种型号的树脂药卷，锚索锚固端端部采用2卷MSCK2335型树脂药卷，锚固端下部采用4卷MSK2335型树脂药卷。锚索张拉时采用风动锚索张拉机张拉，张拉预紧力必须达到300 k N以上，以提高顶板整体支护效果。

（2）锚杆预紧必须采用高扭矩的冲击式风动扳手或者锚杆扭矩放大器，确保顶、帮锚杆安装预紧力达到要求。两肩及底角锚杆必须按设计角度打入岩层中。

（3）做好拉拔力和预紧力检测，对失效的锚杆及时补打加固，遇到地质构造带及时调整锚杆、锚索长度和密度。

4 巷道矿压监测

顶板离层监测采用双高度顶板离层仪，一个孔内设2个基点，深度距巷道顶板分别为3.0 m和6.0 m （根据现场情况可适当调整），基点设好后要测量初值，巷道每50 m安装一组。巷道两帮及底板收敛变形采用十字测点法进行，每50 m设点观测，测量使用钢尺读数。

通过观测数据表明，在巷道施工后10个月期间，两帮最大位移量480 mm，平均收缩450 mm；顶板最大下沉量120 mm，平均下沉100 mm；底臌量最大为260 mm，平均240 mm，最终巷道断面尺寸稳定在为4750 mm×3160 mm （宽×高），掘进设计断面18.2 m2，回采期间断面15 m2，回采期间的巷道有效断面不小于掘进设计断面的80%。实事证明在没有进行扩帮拉底的情况下，完全满足了采面搬家、安装、通风的需要。

5 结论

强顶固帮控制底角技术可有效控制高应力三软煤层小煤柱沿空掘巷收敛变形和底臌，减少巷道的维修量，大大提高采掘工效，为煤矿安全生产和高产高效建设创造有利条件。

该技术虽然有效地控制了两帮收敛和底臌，但变形量仍然较大，有待于进一步的实践探索。

［1］郑西贵，姚志刚，张农 .掘采全过程沿空掘巷小煤柱应力分布研究 ［J］.采矿与安全工程学报，2012（7）

［2］何满潮，谢和平，彭苏萍等 .深部开采岩体力学研究 ［J］.岩土力学与工程学报，2005（8）

［3］李农，侯端明，卞景强 .复合顶板沿空掘巷支护技术研究与实践 ［J］.中国煤炭，2011（8）

［4］华心祝，刘淑，刘增辉等 .孤岛工作面沿空掘巷矿压特征研究及工程应用 ［J］.岩土力学与工程学报，2011 （8）

［5］孟超，李学华 .沿空掘巷锚杆支护参数敏感性分析与应用 ［J］.中国煤炭，2013（3）

［6］刘清涛，孟凡武 .深部综放工作面小煤柱沿空巷道支护技术 ［J］.煤炭科学技术，2009（7）

［7］钱鸣高，石平五 .矿山压力与岩层控制 ［M］.徐州：中国矿业大学出版社，2003

Research on strengthening support of gob-side entry driving with small coal pillars in three-soft seam with high stress

Chen Quanjian，Yang Dong
（The 6th Mine of Pingdingshan Tian'an Coal Mining Co.Ltd.，Pingdingshan，Henan 467000，China）

In order to solve the problem of the floor bulge and sides convergence deformation in gob-side entry driving with small coal pillars in three-soft seam with high stress，according to the geological conditions of working face in gob-side entry driving，the 6th Mine of Pingdingshan Tian'an Coal Mining Co.Ltd.，follows the support concept of"strengthening the roof and sides，controlling the floor bulge"to reinforce the roof and small coal pillar supports and increase the floor support control，which result in good control of roadway sides convergence deformation and floor bulge.

small coal pillar，gob-side entry driving，to strengthen the roof and sides support，floor bulge control

TD353

A

陈泉建 （1969-），男，河南南阳人，工程师，现任平煤股份六矿副总工程师，从事开拓技术方面的管理与研究工作。

（责任编辑 张毅玲）