让压支护技术在动压影响巷道中的应用研究

辛卫军

（阳煤集团山西新景矿煤业有限责任公司，山西 阳泉045000）

阳煤集团新元煤业近几年来随着生产能力的提高，造成采掘接替紧张，为保证产量，在同一采区临近工作面回采与掘进同时进行，受回采动压影响，掘进巷道矿山压力显现明显变形严重，掘进期间巷道顶板下沉量在80mm左右，两帮移进量在150～600mm不等，且靠近采空区一侧的煤帮受工作面回采超前及侧向支承压力影响，巷道锚杆、锚索时常发生断裂，需及时进行补强、卧底及刷帮等巷道维修工程，巷道维修量大，往往导致生产进度滞缓、采掘接替紧张等局面，影响矿井安全生产。因此，必须对受回采动压影响巷道支护进行进一步研究，确定合理的主动支护参数，有效遏制巷道变形，保证掘进工作面的正常推进。

1 工作面概况

新元煤业8103回采工作面5103回风顺槽，距8102综采工作面30m左右。5103回风顺槽主要是为8103回采采煤工作面回风及行人、运料、管线敷设等服务。本巷道布置在煤层中，类别属于半煤岩巷、全煤巷。正常段沿煤层底板掘进。5103回风顺槽断面为距形，掘宽×掘高＝5200mm×3900mm，采用一台EBZ－318H型综掘机掘进。目前8102工作面正在回采中，距离停采线还有2300多米，5103回风顺槽在掘进过程中与8102综采工作面形成对掘的局面，5103回风顺槽与8102综采工作面的关系见图1。由图1可知：5103回风顺槽受8102工作面推进造成的应力变化，该巷道掘进时的矿压显现情况可分为以下三个部分：①8102工作面尚未进行回采，5103工作面回风顺槽在实体煤中进行掘进；②8102工作面已经回采，8102工作面产生的侧向支承压力处于剧烈活动期，5103回风顺槽为受剧烈侧向采动影响的小煤柱沿空掘巷；③8102回采后，采动引起的侧向支撑压力已经处于稳定阶段，5103回风顺槽在应力降低区进行沿空掘进。前两处巷道掘进段，受回采动压影响，尤其是工作面构成，回采时巷道变形量大，支护效果不理想。

图1 5103回风顺槽与8102综采工作面的关系示意

2 巷道特点及变形原因分析

2.1 巷道特点

5103回风顺槽掘进与普通的小煤柱沿空掘巷相比具有以下特点：（1）煤柱尺寸为30m左右；（2）巷道埋藏深度不大，在500m左右；（3）5103回风顺槽沿煤层底板掘进，巷道上方有3m左右的顶煤，在掘进期间经常出现顶板煤体高冒现象；（4）5103回风顺槽在掘进时，通过上面的介绍可以看出，掘进的巷道根据受力状况分为三部分，第一部分为巷道与8102综采工作面碰头前，第二部分为与工作面碰头后的200m范围内，第三部分为一般意义上的留煤柱沿空掘进。

2.2 变形原因分析

（1）5103回风顺槽巷道在8102综采工作面回采前掘进，此部分巷道所经历的应力变化比一般沿空掘巷复杂，其特点是：a、巷道在原岩应力影响下掘进；b、巷道围岩和支护系统将承受一定的附加应力（8102工作面超前支承压力）和产生附加变形；c、受8102综采工作面回采产生侧向支承压力的影响，巷道围岩和支护系统的主要受力和变形主要集中在此阶段；d、8103综采工作面回采时超前支承压力的影响：此过程和一般沿空掘巷类似，此阶段巷道的变形会非常剧烈，在小煤柱沿空掘巷条件下尤其严重。

（2）8102综采工作面回采后，采空区侧的应力分布尚未趋于稳定，5103回风顺槽为受采动影响的沿空掘巷，其区别于第一部分的特点是巷道掘进时是沿空掘巷，受到的压力影响主要是第一部分巷道中c、d两个阶段。由于8102综采工作面采空区应力分布还不是很稳定，还是要受到顶板岩层运动对巷道的影响，而且受到侧向支承压力的影响，巷道变形比较严重。

3 巷道支护参数分析

由于锚杆的受力变化要经过3个阶段，尤其是在巷道掘进开始阶段，顶板压力释放最剧烈并且变形量最大。根据井下巷道观测，巷道的破坏形式为典型的留煤柱沿空掘巷巷道破坏显现。对于此种巷道（以5103回风顺槽在8102综采工作面回采前掘进段为例）必须对围岩应力－变形关系进行研究，以此设计合理的锚杆支护参数。

1）锚杆类型、长度、直径：鉴于巷道受交锋双次动压影响，采用整体耦合高位让均压应力显示锚杆。从现场观测看，在破碎带和超前压力带，顶板变形很大，大部分锚杆处于失效状态，原因之一是锚杆的长度不够。5103回风顺槽经过交锋动压和超前压力的两次影响，其松散破碎圈范围比皮带顺槽要大的多，所以，设计锚杆长度为2500mm。

2）支护强度计算：考虑到巷道支护需承受两次超前支承压力及一次侧向支承压力影响，设计锚杆的预应力应小于锚杆杆体屈服强度的50%，由于锚杆受力不均及性质不可预测的因素，设计中采用2倍的安全系数，锚杆的最小屈服强度为：〔4～6＋（4～6）×50%〕×2＝12～18（t），设计采用Q600号，直径为20mm无纵筋左旋螺纹钢，其屈服吨位为19t，最大抗拉强度为25t。

3）支护系统的安装载荷（预应力）：由于巷道顶板为为3m厚煤层，煤体强度较低，节理裂隙较发育，长期支护经验和有限元分析表明，对于此种类型的顶板，锚杆的预应力为4～6t，为了保证均匀的安装应力，锚杆上的应力显示泡设置为4～6t，安装时必须压扁。

4）支护系统的可变形性及让压性：由于对于不同的支护系统，围岩的变形程度具有很大差别，为保证锚杆体上让压装置的参数符合设计参数要求，对样品进行试验。试验散点做出的回归拟和曲线见图2。根据回归拟和曲线图，让压结构的回归曲线方程和实际参数如下：

根据参数公式得：让压点载荷为17t；让压稳定系数W＝0.16t／mm；最大弹性让压距离为26mm。由R2＝0.91245可知：该让压装置的参数可靠，装置性能稳定。

图2 试验散点和回归拟和曲线

综上所述：以5103回风顺槽在8102综采工作面回采前掘进段，顶锚杆采用耦合让压应力显示锚杆，规格为Φ＝20mm，L＝2500mm；排间距1000mm×920mm；高强球型托盘为150mm×150mm×10mm；W型钢带为4900 mm×280mm×3mm；帮锚杆采用耦合让压应力显示锚杆，规格为Φ＝20mm，L＝2200mm；排间距1000mm×1000mm；高强球型托盘150mm×150mm×10mm；纵横向双向加强护帮板为450mm×280mm×4.75mm（支护断面示意见图3）。

图3 支护断面示意

4 支护效果分析

5103回风顺槽经受8102工作面采动影响，采用原支护方案时，在巷道施工中累计崩断锚杆35根，且顶板下沉量大，巷道底鼓严重。采用新支护方案后，为了确保锚杆、锚索达到设计的要求，严格按照设计要求进行锚杆的拉拔力试验，由于所做试验为非破坏性试验，故拉拔力达到锚杆的屈服强度后停止继续给锚杆施加拉力（部分试验数据见表1）。从表中1可以看出，在不破坏锚杆本身性能的前提下，直径20mm、屈服强度为600的蛇形锚杆拉拔力均达到设计要求，因本次试验为非破断性试验，安全起见，当锚杆加载力接近杆体屈服强度时即停止加压。由此亦可见锚固剂、钻孔和杆体“三径”匹配较好，锚固力达到设计要求。顶板与两帮最大移近量分别为50mm、90mm，巷道围岩变形得到有效控制。

表1 5103回风顺槽锚杆拉拔试验数据

5 结语

1）通过分析、采用规格为Φ20mm，L2500mm耦合让压应力显示锚杆后，未出现锚杆拉断现象，顶板与两帮最大移近量分别为50mm、90mm，巷道围岩变形得到有效控制。

2）与原支护方案相比，该支护方案在进一步提高支护效果的情况下，巷道的主要直接支护费用由原来的2295.19元／m降低到1579.30元／m，每米支护直接费用降低了715.89元，在保证巷道围岩变形得到控制的同时，提高了矿井经济效益。