小煤柱二次动压巷道强力锚网支护技术实践

郝登云

( 天地科技股份有限公司 开采设计事业部，北京 100013)

小煤柱二次动压巷道强力锚网支护技术实践

郝登云

( 天地科技股份有限公司 开采设计事业部，北京 100013)

本文结合山西沁新煤矿2217回采巷道的工程地质特点，分析了二次动压巷道围岩变形与破坏的特征，合理地确定了小煤柱的宽度，在此基础上，以一次性强力支护为原则，提出了该巷道的锚杆支护方案，并在巷道掘进和工作面回采期间对巷道进行了压观测。结果表明，该支护方案有效地控制了二次动压巷道围岩体的变形量，保证了巷道能够满足下一个工作面的使用要求，解决了受两次动压影响的巷道支护难题。

小煤柱；二次动压巷道；强力锚网支护；采动影响

采用多巷布置的采煤工作面，为了少工作面煤柱，把工作面外侧的回采巷道保留下来，作为下一个工作面的回风巷道，这种类型的回采巷道不仅要承受本工作面超前与后方支承压力的作用，而且还要经受下一个工作面超前支承压力影响，巷道服务时间相当于2 个回采工作面的开采时间，维护时间长，巷道变形量大，支护困难，特别是当采用小煤柱护巷时更是如此[1-4]，因此，根据现场生产技术和地质条件开展小煤柱二次动压巷道的锚杆支护技术研究和实践，有针对性的解决该类回采巷道的支护难题，具有重要的现实意义。

本文以山西沁新煤矿2217巷及与其相邻的2209工作面为研究对象，过详细的地质调查分析，充分研究该巷道围岩的力学性质以及应力场特征，确定出合理的护巷小煤柱宽度，并依据一次性支护理论，提出了2217巷道支护方案并在现场进行了实施，通过分析矿压监测结果表明，该方案有效地控制了巷道围岩变形，解决了该类二次动压巷道的支护难题，同时提高了煤炭资源的回收率。

1 工程概况

2209工作面位于该矿井的南部采区，东、南为矿区边界，西为南运输机巷和南轨道巷，北部为未采区，将来布置2208工作面。2217巷是2209工作面的两条回风巷中的一条，为了减少工作面间的煤柱损失，决定在2209工作面回采时，保留住2217巷，将来为2208工作面服务。

图1 2209工作面的布置及2217巷位置图

2209工作面走向长1415 m，倾斜长189 m，采用倾斜长壁综合机械化开采。该工作面煤层整体构造为一个走向北东-南西向、倾向为南东的单斜构造，煤层倾角为4°～11°。

2209工作面2217巷沿2号煤层顶板掘进，与 2218巷同时掘进。2217巷地面标高1150～1408 m，巷道底板标高为725～882 m。

2209工作面开采的2号煤层，属低硫、低灰的优质主焦煤，厚度为1.8～2.1 m，煤层赋存稳定可采，中间有一层厚度2～5 cm的夹矸。

煤层直接顶为泥岩(3～3.5 m)，裂隙非常发育，老顶为细粒砂岩(4～7.7 m )、泥岩夹层(7.7～8.2 m) 和粉砂岩(8.2～10 m)。煤层直接底板为灰色或灰白色中砂岩，厚度为2 m，中粒结构，层理构造。老底为灰黑色细砂岩，厚度为2.8 m，层理构造，含泥岩岩屑，硬度小，遇水易软化。

2 试验地点地质力学测试

2.1 地应力大小及对巷道支护的影响

采用水压致裂法进行了现场地应力测试，测试结果表明：2217巷所在区域属于构造应力场，最大水平主应力为12.49 MPa，最小水平主应力为6.74 MPa，垂直主应力为10.92 MPa，垂直主应力小于最大水平主应力。最大水平主应力方向为NW15°，与2217巷夹角为75°，其在垂直于巷道轴向方向上的分量较大，对巷道顶底板稳定性的影响比较大，容易引起巷道顶底的的变形和破坏，因此在巷道支护设计时，要加强对巷道顶板的支护，确保巷道稳定。

2.2 小煤柱合理宽度的确定

采用小煤柱护巷的原则是要把巷道布置在采空区边缘低应力区内，以减小巷道的支护成本以及后期的维护费用，并提高资源回收率。

小煤柱宽度设计，应保证道位于工作面侧向应力降低区，同时要保证巷道围岩在采用锚杆支护后有一定的承载能力，在保证以上两方面的基础上，为了降低煤柱损失，应尽量降低煤柱宽度。但从有利于回采巷道的维护考虑，小煤柱宽度也不宜过小，否则，工作面回采动压将会导致煤柱的破坏区增大，减弱锚杆的支护作用[6-8]。

根据煤巷两帮煤体应力和极限平衡理论[9]，可计算出合理的最小煤柱宽度B：B=x1+x2+x3

图2 合理煤柱宽度

其中： x1—上区段工作面开采在煤柱中产生的塑性区宽度；

式中：m为工作面采高，m；A为侧压系数，泊松比为μ，A=μ/(1一μ)；φ0为煤体的内靡擦角，(。)；C0为煤体内聚力，MPa；K为应力集中系数；γ为上覆岩层平均容重，MN/m；H为巷道埋深，P0为回采巷道的支护阻力，MPa。

x2—锚杆锚入煤柱的深度；

x3—安全系数，x3=(0.15～0.35)(x1+x2)。

现场实该矿煤层的泊松比为0.3，煤体内摩擦角30°，煤体粘聚力为0.8 MPa，2218巷道高2.6 m，巷道埋藏深度平均400 m，岩层平均体积力为2.5 g/cm3，2218巷道帮采用杆体为规格为22#-M24-2400 mm 左旋无纵筋螺纹钢锚杆，间距900 mm，巷帮支护阻力为0.124 MPa，锚杆锚入煤柱的深度为2.4 m，应力集中系数取2.5，最终可得小煤柱宽度为7.33～8.87 m。实际施工时，小煤柱宽度为8 m。

3 二次动压巷道支护方案

大量研究表明小煤柱二次动压巷道掘进期间巷道围岩变形量较小，而经受第一次工作面采动影响后，巷道围岩变形明显加大，相对于顶底板移近量，围岩变形以巷道两帮为主，主要变形特征是煤壁向巷道内挤入[10-12]，因此，在巷道支护设计时，在考虑如何加强顶板支护的同时，也重点考虑了如何加强两帮支护强度和控制巷道两帮变形问题。

考虑掘进过程和回采中设备尺寸、通风要求和巷道围岩变形预留量，设计巷道为矩形，宽5.0 m， 高2.7 m，断面面积为13.5 m2。如图3所示。根据一次强力支护理论，结合现场工程地质条件，采用树脂锚固强力锚杆锚索组合支护系统，并运用数值模拟软件，对2217巷的锚杆锚索直径、长度、间排距等参数进行了详细的分析，确定了巷道顶板和两帮的支护参数，见图3所示。

图3 锚杆与锚索支护布置图(单位：mm)

为了保证二次动压巷道的稳定，锚杆支护设计时采取的主要措施有：

1) 高强度锚杆

巷道顶板及两帮都采用高强度锚杆，杆体用CRM500左旋无纵筋螺纹钢，屈服强度不低于500 MPa， 杆体公称直径22 mm，长度为2400 mm，极限破断载荷为255 kN，屈服载荷为190 kN。顶板锚杆锚固长度1200 mm，预紧力不小于400 Nm，顶板锚杆间排距为1100×900 mm，两帮锚杆间排距为900×900 mm；

2) 两帮锚索补强

巷道顶板及两帮都采用了锚索补强。巷道顶板锚索采用φ22，1×19股高强度低松弛预应力钢绞线，长6300 mm，锚固长度1970 mm，极限破断拉力不低于550kN，每排锚杆打设两根顶锚索，锚索距巷帮1500 mm，间排距为2000×900 mm。

为了加强巷道两帮的支护强度，巷道两帮也都采用了锚索补强，所用锚索为φ22，1×19股高强度低松弛预应力钢绞线，长4300 mm，锚固长度1970 mm，两帮每两排锚杆打设2根锚索，锚索距顶底均为500 mm，间排距为1700×1800 mm

3) 高预紧力

高预应力的锚杆支护才是真正的主动支护，才能充分发挥锚杆支护的作用。要求锚杆预紧力不低于400 Nm，锚索初始张拉至300 kN。

4) 巷道顶板及两帮都采用了金属网。采用金属网护顶和两帮，材料为10#铁丝，网孔规格50×50 mm，网片规格5400×1000 mm。用16#铅丝联接，双丝双扣，隔孔相连。

5) 锚杆各构件相互匹配。锚杆各构件，包括托板、螺母等的参数与力学性能应相互匹配，最大限度地发挥支护的整体支护作用。采用强力锚杆螺母M24，配合高强度托板调心球垫和尼龙垫圈，托板采用高强度拱型托板，钢材屈服强度不低于235 MPa，托板承载能力不低于255 kN，尺寸为150×150×10 mm，高度不低于34 mm。锚索托板：采用300×300×16 mm高强度可调心托板及配套锁具，托板材质为Q235钢，高度不低于60 mm，承载能力不低于550 kN。

4 井下监测与支护效果分析

4.1 掘进期间

在巷道掘进期间安装表面位移测站及锚杆、锚索测力计，并连续监测数据，巷道锚杆受力变化情况如图4所示。巷道掘进期间，锚杆受力最大超过20 t，普通335锚杆破断载荷18.6 t，可见对于此类巷道必须使用强力锚杆，最大破断载荷达到30 t。巷道掘进期间锚索受力也较大，最大超过30 t。巷道掘进40 m后，锚杆受力基本稳定。

图4 2217巷顶板和两帮锚杆轴向拉力变化曲线

巷道两帮、顶板、底板都有不同程度的变形，其变化情况如图5所示。其中沿空帮变形量最大，除特殊区域外，稳定后变形量为269 mm，实体帮变形量为197 mm，底板变形量为164 mm，顶板变形量为98 mm；在距迎头40 m范围内，受巷道掘进扰动影响大，围岩变形剧烈。40 m之后巷道变形缓慢，逐渐趋于稳定。

图5 2217巷掘进期间巷道表面移近量曲线

多个矿区的现场实践经验表明：受相邻工作面超前支承压力影响后围岩变形一般不大，巷道围岩变形主要发生在相邻工作面回采后方，工作面后方采动影响范围一般很大，并在滞后工作面一定位置变形速度达到最大值。当受到本工作面采动影响时，巷道围岩变形又逐渐增加，但采动影响程度比相邻工作面后方影响的程度要小。该矿巷道所观测到的变形特征与此非常类似。

4.2 工作面回采期间

工作面回采期间，对巷道的围岩变形情况进行了监测，如图6所示。

图6 2209工作面回采时2217巷表面位移量曲线

监测结果表明回采工作面超前支承力影响范围在80 m左右，在此范围内巷道变形较小，顶底板位移在300 mm以内，两帮变形在500 mm以内。当工作面推过测站位置40～130 m，滞后压力显现明显，巷道围岩变形急剧增加。当工作面推过测站130～200 m，巷道围岩变形逐渐趋于稳定，顶底板移近量在800 mm左右，两帮移近量则达到1400 mm左右，但仍在允许的安全范围之内，能满足下一工作面回采的需要。

5 结论

(1) 与一次动压巷道相比，二次动压巷道变形量明显加大，特别是当采用小煤柱护巷时，支护难度大，对巷道支护设计提出了新的要求。

(2) 采用理论计算的方法确定出了小煤柱宽度。现场观测表明，工作面回采后，小煤柱基本稳定，能够满足生产实际需要，表明小煤柱宽度选择比较合理。

(3) 高预应力锚杆支护系统能够有效效控制二次动压巷道的围岩变形。现场实测表明，第一次采动稳定后，巷道顶底板移近量达到800 mm，两帮移近量则达到1400 mm，但仍在允许的安全范围之内，完全能够满足下一工作面回采的需要。

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Application of the Technology of Roadway Strength Bolting Supporting in Entries under Secondary Dynamic Pressure with Small Coal-pillar

HAO Deng-yun

(Coalmining&DesigningDepartment,TiandiScience&TechnologyCo. ,Ltd.,Beijing，100013,China)

Based on the 2217 entry retained for next working face in Qinxin coal mime in Shanxi province,the characteristics of deformation and damage associated with this entry are analyzed, rational coal-pillar width was determined. With once support principle of high pre-tension powerful bolt, the reinforcement patterns and parameters suitable for entries retained for next face are proposed based on above researches. The surrounding rock displacements, rock bolt and cable loads are monitored during the whole service period of the entries retained. The research results show: The rock bolts and cables with high pretension and intensive strength can reduce surrounding rock displacements greatly and keep the entries stable for a long time and the problem of small coal-pillar entry retaining under this condition was solved.

small coal-pillar ; secondary dynamic Pressure ;bolts and cables with high pretension and intensive strength; mining influence

2016-01-10

郝登云(1988-)，男 ，河南辉县人，硕士，天地科技股份有限公司开采设计事业部助理工程师，从事巷道支护的研究工作。E-mail：18511530097@163.com

TD353

A

1672-7169(2016)01-0066-04