赵楼煤矿沿空巷道锚网索支护技术研究及工程实践

孟祥阁

（兖煤菏泽能化有限公司赵楼煤矿， 山东郓城县 274705）

赵楼煤矿沿空巷道锚网索支护技术研究及工程实践

孟祥阁

（兖煤菏泽能化有限公司赵楼煤矿， 山东郓城县 274705）

摘 要：为解决赵楼煤矿沿空巷道安全掘进的难题，在大量现场调研基础上，结合该矿及邻近矿井沿空巷道支护经验，提出了“稳顶控帮”的沿空巷道掘进支护思路，即：采用锚网带基本支护，配合纵向锚索钢带梁稳定顶板；采用锚网梯基本支护及纵向布置锚索梯控制帮部。矿压观测结果表明，采用稳顶控帮支护技术后，3303轨顺沿空巷道两帮移近量及顶板下沉量均得到了有效控制，满足了工作面回采对沿空巷道的断面要求，为赵楼煤矿后续沿空巷道的支护设计提供了参考依据。

关键词：沿空巷道；锚网支护；稳顶控帮；矿压观测

0 引 言

沿空掘进巷道分为完全沿空掘巷和留设小煤柱沿空掘巷［1］。前者煤炭资源回收率更高，但存在与采空区连通，不利于封闭采空区有毒有害气体和积水等问题，而且巷道掘进时支护难度大，故在实际生产中完全沿空掘巷应用极少。留设小煤柱沿空掘巷不仅能封闭采空区积水及有毒有害气体，而且能提高巷道掘进速度和改善巷道支护质量，在实际生产中得到了广泛应用。

在煤炭资源日益减少的今天，国内外各煤矿企业对提高煤炭回收率都非常重视。留设小煤柱沿空掘巷支护技术是当前提高煤炭资源回收率所有技术中应用最为成熟的技术之一。本文结合赵楼煤矿以往沿空巷道变形特点，分析确定了沿空巷道锚网索支护参数，并在该矿3303工作面沿空顺槽进行了工业试验。

1 试验巷道地质条件

试验巷道为赵楼煤矿3303工作面轨道顺槽。3303工作面为该矿三采区第二个综放工作面，东临3302工作面采空区。3303工作面轨道顺槽沿3302工作面采空区掘进，为赵楼煤矿第三个沿空掘进巷道。根据3302轨道顺槽在实际掘进过程揭露的地质情况分析，3303轨道顺槽在掘进过程中将依次揭露两条正断层，落差分别为10.0m和2.6m。其中，落差10m的断层对掘进施工影响较大，而且断层周围煤岩结构较为破碎，原岩应力集中，可能发育伴生小构造。该区域煤层厚度为3.3～5.1m，平均4.2m，直接顶为灰白色、浅灰绿色细砂岩和黑色粉砂岩，直接底为灰黑色泥岩，3303轨道顺槽地质柱状图见图1。

2 沿空掘巷支护中的几个关键问题分析

沿空掘巷是煤矿井下回采巷道的一种，一般在相邻工作面推过半年以上或相应距离间隔后开始沿采空区边缘掘进。沿空掘巷支护问题的研究主要包括以下几个方面：一是沿空掘巷上覆岩层活动规律的分析；二是沿空掘巷煤柱合理宽度的确定；三是沿空掘巷围岩控制技术的研究。

侯朝炯、李学华、柏建彪等提出了“大-小结构”概念，并建立了沿空掘巷基本顶弧形三角块结构力学模型［2-3］。其中，“大结构”是指巷道上覆岩层结构，包括顶煤、直接顶、老顶及作用在老顶上的载荷岩层，该结构在基本顶岩层断裂后逐渐趋于稳定；“小结构”是指沿空掘巷锚杆与锚固范围内围岩形成的承载结构。沿空掘巷在“大结构”稳定的前提下，“小结构”自身的变形特征及稳定性是决定巷道最终能否稳定的关键。

沿空掘巷根据煤柱留设宽度可以分为3类，即完全沿空掘巷、留窄煤柱沿空掘巷、留宽煤柱沿空掘巷。工作面完全沿空掘巷虽然掘进巷道处于最佳的受力状态，但是在实际运用中，由于采空区的水和瓦斯及其冒落的岩石会对巷道的正常掘进构成威胁，而且也给掘进通风造成一定的影响，因此一般不采用完全沿空掘巷。国内外学者对煤柱的宽度及稳定性做了大量的基础研究工作，但对煤柱宽度的合理值未达成共识，煤柱的合理值从1～5m直到20～30m不等［4］。当煤柱宽度较窄时，认为无法保证煤柱的稳定和巷道的安全；当煤柱宽度较大时，有可能使新掘的巷道处于采空区侧向支承压力增高区内。因此，选择合理的护巷煤柱宽度是沿空掘巷的关键环节，合理的煤柱宽度能够使巷道始终处于采空区侧向支承压力降低区内，而且能够最大限度的回收煤炭资源，避免资源浪费。柏建彪、侯朝炯［5］的研究认为，采用高强度锚杆支护的窄煤柱在沿空掘巷围岩承载结构中起着重要支撑作用，改变了以往认为窄煤柱支撑能力小的观点。侯朝炯、勾攀峰［6-7］提出锚杆支护围岩强度强化理论，该理论加深了对锚杆支护机理、锚杆与围岩相互作用关系的认识，推动了沿空掘巷锚杆技术的进步。

目前，应用于沿空掘巷围岩控制的技术与措施有很多，如锚杆索支护技术、锚索梁支护技术、高预应力强力支护系统、注浆加固技术以及让压支护技术等。由于赵楼煤矿煤层赋存条件及巷道围岩特性的差异很大，单纯借鉴现有的围岩控制技术难以制定出有效的支护方案。因此有必要通过分析该矿已有沿空巷道围岩变形破坏特征，制定出一套适用于该矿的沿空掘巷支护体系，为该矿沿空巷道的安全、快速掘进提供理论支持和技术保障。

图1　3303轨道顺槽地质柱状图

3 窄煤柱沿空掘巷支护方案设计

3.1沿空掘巷支护思路

通过对赵楼煤矿已掘沿空巷道的矿压观测资料分析可知，顶板下沉和两帮位移是沿空掘进巷道变形破坏的关键点，也是巷道支护的重点。为了提高支护方案的针对性与实用性，结合该矿已掘沿空巷道围岩变形特点，提出了稳顶控帮的沿空巷道掘进支护思路，即采用锚网带基本支护，配合纵向锚索钢带梁稳定顶板；采用锚网梯基本支护及纵向布置锚索梯控制帮部。

3.2沿空掘巷煤柱留设宽度的确定

根据赵楼煤矿已掘沿空巷道的矿压观测资料并参照临近矿井沿空顺槽煤柱留设宽度，本着最大限度回收煤炭资源的原则，确定沿空掘巷煤柱为3.5m。巷道断面为矩形，净断面尺寸为：宽×高=4800mm×3800mm。

3.3沿空掘巷顶板支护方案

巷道顶板采用 6根 Φ22mm×2400mm的KMG500左旋无纵筋螺纹钢锚杆配合4800mm×275mm×3.75mm的W型宽钢带，护网采用5000mm× 1000mm的8#镀锌铁丝菱形网，锚杆间排距850mm ×800mm，肩窝锚杆按照向顶板倾斜15°施工。

顶板锚索采用“2-1-2五花型”布置，间排距为1600mm×1600mm，两侧锚索向两帮倾斜15°布置，在顶板巷中和沿空侧布置两排纵向W型宽钢带，两排纵向钢带交错布置，锚索选用Φ22mm×6200mm高强度低松弛预应力钢绞线及配套锁具。顶板支护俯视图如图2所示。

图2　顶板支护俯视图

3.4沿空掘巷帮部支护方案

（1）帮部锚杆：巷道两帮各采用5根Ф20mm× 2000mm的KMG400左旋无纵筋全螺纹锚杆配合3200mm×60mm的Ф12mm钢筋梯，护网采用3500mm×1000mm的8#镀锌铁丝菱形网，锚杆间排距800mm×800mm，肩窝锚杆按照向顶板倾斜15°施工，帮脚锚杆按照向底板倾斜30°施工。巷道支护断面如图3所示。

图3　巷道支护断面

（2）帮部锚索梁：巷道两帮部在距顶板1000mm和底板1500mm高度位置各布置两排纵向Φ16mm钢筋梯锚索梁，钢筋梯长2400mm，1梯2索，锚索间距1600mm，除窄煤柱侧下部选用Φ22mm× 3500mm锚索外，其余全部选用Φ22mm×6200mm锚索。帮部支护侧视图如图4所示。

图4　帮部支护侧视图

4 工程实践及矿压观测结果分析

3303轨道顺槽全长约810m，实际掘进工期为79 d，为进一步优化支护设计参数，掘进后即对巷道实施了矿压观测。采用稳定控帮的支护方案后，3303轨道顺槽支护状况与之前沿空顺槽支护方案相比有了显著改善。在为期近3个月的巷道表面位移观测中，自巷道开掘后前5 d变形幅度比较大，10 d后围岩变形基本趋于稳定，巷道表面收敛速率由最初的3.2mm/d逐渐降至0.06mm/d。由此不难发现，巷道掘进中的变形可以分为以下3个阶段：一是加速变形阶段（巷道掘进后前5 d），二是恒速变形阶段（巷道掘进后5～10 d），三是相对稳定阶段（巷道掘进10 d后）。

5 结 语

沿空巷道因其位置的特殊性，往往在掘进后就出现大变形，不能对工作面安全高效回采提供有效的通风行人断面。本文结合赵楼煤矿以往沿空巷道的变形特点，提出了“稳顶控帮”的沿空巷道掘进支护思路。工业试验表明，“稳顶控帮”的支护方案有效控制了沿空巷道的变形，取得了预期的支护效果，为该矿后续沿空巷道的支护设计提供了可借鉴的工程实例。

参考文献：

［1]于守财.浅析沿空掘巷技术及其发展［J］.民营科技，2012 （2）：47-49.

［2]侯朝炯，李学华.综放沿空掘巷围岩大、小结构的稳定性原理［J］.煤炭学报，2001，26（1）：1-7.

［3]柏建彪.沿空掘巷围岩控制［M］.徐州：中国矿业大学出版社，2008.

［4]王 成，韩亚峰，杜泽生，等.沿空掘巷围岩控制技术的发展与展望［J］.煤炭开采，2014，19（4）：1-4.

［5]柏建彪，侯朝炯.沿空掘巷窄煤柱稳定性数值模拟研究［J］.岩石力学与工程学报，2004，23（20）：75-79.

［6]侯朝炯，勾攀峰.巷道锚杆支护围岩强度强化机理研究［J］.岩石力学与工程学报，2000，19（3）：342-345.

［7]侯朝炯，郭励生，勾攀峰.煤巷锚杆支护［M］.徐州：中国矿业大学出版社，1999.

收稿日期：（2016-03-26）

作者简介：孟祥阁（1986-），男，山东邹城人，助理工程师，硕士学位，现在兖煤菏泽能化有限公司赵楼煤矿从事矿井设计工作，Email：msgtg@163.com。