临近采空区侧巷道支护技术的研究与应用

王革良 赵顺利

摘 要：在地下煤岩进行采掘活动过程中，势必对回采工作面周围煤、岩体中和其中的支护物上所产生新的应力现象，出现如顶板下沉，底板鼓起，巷道变形后断面缩小等情况的发生。因此，巷道支护设计的科学性与合理性直接关系到锚杆支护工程的质量优劣。针对N2722工作面运顺靠近N2711采空区的实际情况，在现有的锚杆支护设计基础上，对N2722工作面靠采空区侧巷道顶板采用φ28.6×6000的粗锚索和帮采用短锚索+锚杆+旧钢丝绳联合支护设计，较好的解决了靠采空区侧巷道帮收敛量大，不宜维护的情况。减轻了边回采边劈帮的现状，取得了令人满意的效果。

关键词：巷道；锚杆；锚索支护；应用

1 概述

锚杆支护目前仍然是一种有效的、技术经济优越的巷道支护方式。采用锚杆支护的优点是支护成本较低、成巷速度快、劳动强度减轻、提高了巷道断面的利用率、简化回采面端头维护工艺、明显改善作业环境和安全生产条件等优点，可提高矿井的经济效益，因而成为矿井巷道的一种主要支护形式。也代表了煤矿巷道支护技术的主要发展方向。锚杆支护可大幅度的降低巷道支护维修费用，提高巷道掘进速度和生产效率；在巷道跨度增大时，即在大跨度巷道的情况下，单纯用锚杆对巷道进行支护可能会引起巷道顶板在一定高度范围内整体垮落，在这种情况下可以进行“锚杆+锚索”联合支护，可将整个潜在冒落范围内的岩层悬吊在较稳定的岩层中，从而使得该巷道顶板处于稳定状态。预应力锚索支护除能够起到普通锚杆的悬吊作用、组合梁作用、组合拱作用外，还能对巷道围岩进行深部锚固，在实际应用中往往锚杆与锚索配合使用。

1.1 锚杆支护的原理

锚杆支护主要由锚杆、锚固件、金属网和钢带组成。锚杆构件主要提供抗拉和抗剪作用，锚杆通过锚固剂将钻孔孔壁岩石与杆体粘接在一起。对于端部锚固锚杆，锚固剂的作用在于提供粘结力，使锚杆能承受一定的拉力。锚杆拉力除锚固端外，延长度方向是均匀分布的。由于锚杆与钻孔间有较大空隙，所以锚杆的抗剪能力只有在岩层发生较大错动后才能发挥出来； 金属网的主要作用是维护锚杆间的围岩，防止松动岩块掉落。金属网所能承受松散岩石的载荷与锚杆间距密切相关；钢带的作用除可以防止锚杆间的松动岩块掉落外，还可均衡锚杆受力，改善顶板岩层应力状态，与锚杆共同形成组合支护系统，增加围岩的稳定性。

1.2 锚索作用机理

锚索支护基于锚杆支护原理中的悬吊理论，再增加适当大小的预应力，支护后围岩不至形成离层脱落，确保围岩稳定，是一种传递主体结构的支护应力到深部稳定岩层的主动支护方式。

锚索的作用主要是将锚杆支护形成的次生承载层与围岩的关键承载层相连，提高次生承载层的稳定性。同时，由于锚索可施加较大的预紧力，可挤紧岩层中的层理、节理、裂隙等不连续面，增加不连续面之间的摩擦力，从而提高围岩的整体强度。

目前，煤巷支护设计方法大致分为三类，即工程类比法、理论计算法及实例法。其中：工程类比法是当前应用较广的方法。它是根据已经支护的类似工程的经验，通过工程类比，直接提出支护参数。

2 现有工作面支护设计分析

利用以往的矿压监测数据可以看出：

采用目前的支护形式对正常工作面支护基本能满足回采安全要求，工作面靠采空区一侧布置时，未采取补强措施的巷道底鼓严重，最大的底鼓量可达1000mm；两帮收敛量最大达1500mm，个别数据点出现突变，通过现场的监测，两帮的变形主要以采空区侧帮为主；顶板下沉不明显，数据变化平稳。处于向斜轴部的巷道变形严重，底鼓及顶板下沉明显，数据说明地质构造对巷道围岩的受力状态及变形分布有着较大的影响。回采过程中需要专门队伍进行劈帮和拉底。

另外，巷道宽度采用5500mm或4800mm时，两帮收敛的效果基本是一样的，说明工作面回采时主要的应力来自采空区侧，即采空区侧的顶部岩层尚未充分冒落压实，开始回采下一个工作面，新工作面的顶部岩层随采动冒落后，与旧的采空区顶部岩层部分冒落形成新的围岩应力平衡，主要反映在水平方向上，即应力由老采空区向新的采空区传递。应力传递的结果是，由于巷道顶板采用锚杆+锚索联合支护，并且锚索布置数量较多，应力只有从靠近采空区侧的帮和地板释放，造成两帮收敛量大和底鼓变形较为严重，回采时必须进行劈帮和拉底才能正常生产。

因此，对工作面靠近采空区一侧布置的巷道必须采取补强措施，才能彻底解决回采过程中出现的两帮收敛量大和底鼓严重的问题。

3 工作面概况

N2722工作面位于北二采区七层，走向1270m，切眼长236m，设计可采储量89万t。工作面南部为北二采区七层中巷，北部与大明煤矿井田边界相邻，西部为未采动区。工作面煤层整体呈向斜构造，煤厚1.90～2.70m，平均2.3m。煤种为长焰煤，硬度2～3。

顶底板岩性：直接顶为粉砂岩、细砂岩，平均厚度5.63m，细砂岩与粉砂岩水平层理发育。老顶为粗砂岩，平均厚度为6.54m，灰白色、无层理、硬度大、含水。直接底为粉砂岩，平均厚度4.54m，深灰色、泥质胶结、含植物化石。N2722工作面布置平面图见图1。

图1 N2722工作面布置平面图

4 工作面原有支护设计

4.1 确定巷道支护型式

根据N2722回采工作面综合柱状分析，直接顶为砂质泥岩，平均厚度5.63m；老顶为粗砂岩，平均厚度6.54m。属较稳定岩层，适合锚网支护。根据邻近七层皮带中巷、轨道中巷的支护经验，初步确定采用矩形断面，锚杆+金属网+锚索联合支护。

4.2 巷道支护参数设计

采用类比法合理选择支护参数：根据邻近皮带中巷、入风中巷的支护经验，运顺顶锚杆选用M22×2200mm的螺纹钢等强锚杆，锚杆间距900mm，排距900mm，锚固剂选用CKM23120×1。帮锚杆选用φ18×1800mm的螺纹钢等强锚杆，间距1000mm，排距900mm，锚固剂选用CK2360×1，锚索选用φ21.8×6000mm钢绞线，间距1800mm，排距1800mm，锚固剂选用CKM23120×1，布置形式见断面图。见图2。

5 支护补强

N2722工作面运顺靠近N2711采空区，顶底板岩性主要以砂质泥岩为主，并且N2711工作面回采结束时间较短，工作面之间煤柱预留5m，预计回采时受采空区采动影响较大，受采空区应力影响较大的位置主要为从顶板往下1/3的区域。为减少N2711采空区对N2722工作面回采期间的影响，故在原有支护的基础上对巷道增加补强支护设计。补强支护及帮支护设计见图3。

（1）顶锚索由原？覫21.8×6000mm调整为？覫28.6×6000mm，锚索间距由1800mm调整为2700mm。在工作面运顺靠采空区一侧帮施工？覫21.8×4000mm短锚索，距顶板1300mm。锚索施工角度为60°，锚索排距1800mm，锚固剂使用CKZ23120×1。（2）工作面运顺下帮各锚杆之间使用？覫15.5破2股旧钢丝绳连接。

6 施工工艺及措施

（1）支护要求锚杆、锚索达到预紧力及锚固力要求；网片展紧、贴帮；锚杆、锚索锚固长度、外露长度，帮、顶锚杆、锚索间、排距、角度符合要求。（2）先施工顶锚杆（索），再施工帮锚杆（索）。锚杆（索）间排距按设计要求进行布置。帮锚杆缠绕旧钢丝绳随施工进度进行。（3）锚杆（索）施工顺序：钻孔、装锚固剂、装锚杆（钢绞线）、搅拌、上托盘、预紧（锁紧）。（4）打锚杆（索）眼时，钻机必须放稳，开始钻进时，气腿要缓慢升起，领钎人在钻进50mm时，方可撤离，换钎时待钻机完全停止时，方可换钎，严禁突然加大风量造成折断钎杆现象发生。（5）装锚杆（钢绞线）锚固时，先用锚杆（钢绞线）把两个锚固剂送到眼内再把锚杆（钢绞线）固定到注眼器内，注眼器与锚杆（钢绞线）必须固定牢固。（6）锚固时气腿要缓慢升起，转动锚杆（钢绞线）、将锚杆（钢绞线）外露40～60mm（200～300mm），按规定时间搅拌后预紧（锁紧）。（7）钢丝绳必须拉紧贴帮并缠绕到帮锚杆上，然后加锚杆托盘进行紧固。

7 效果评价

（1）工作面靠采空区一侧布置的巷道顶板采用？覫28.6粗锚索，帮增加？覫21.8短锚索和钢丝绳联合支护后，效果十分明显。工作面目前已回采700m，通过现场实际观测，下帮收敛量控制在500mm以内，工作面回采过程中不需要劈下帮。节省了劈帮工程量，降低了工人的劳动强度。（2）在现有锚杆与锚索联合支护的基础上，加强靠近采空区一侧巷道整体支护强度，尤其是粗锚索的应用，对预防巷道顶板下沉量过大和靠采空区一侧帮收敛具有积极作用。（3）靠采空区一侧巷道帮增加短锚索与顶板施工粗锚索组合支护可有效控制浅部岩层离层，将破碎岩体与顶部围岩联成一个整体，可充分发挥围岩的承载能力，有效控制围岩变形。

作者简介：王革良（1968-），男，毕业于黑龙江矿业学院采矿专业，高级工程师，现从事采矿管理。