近距离顶煤开采下部巷道加固措施研究

李洪刚

摘要：以巷道变形特征着手，由表及里揭示变形因素，然后依据变形因素研究分析变形机理，依据现代力学理论与原理，研究变形的控制机理及控制措施。通过控制措施，对巷道进行补强支护，变形量得到抑制并控制在所要求的范围内，可以保证巷道的正常使用。

关键词：近距离；变形机理；控制措施；补强支护

近距离顶煤开采对下部巷道的影响主要表现在工作面推进过程中，因煤层开挖导致的地应力重新分布，在工作面前方一定范围内发生的的应力集中现象，现场通常称之为采动压力显现，距离越近，动压显现越突出。

1 1131（3）工作面下方轨道大巷概况

1131（3）工作面下方-650m东翼轨道大巷巷道目前破坏较为严重，主要表现在：拱部炸皮开裂、局部拱顶岩体破碎、两帮内收、底臌、U型棚拱部弯折、跪腿等。考虑到即将开采的厚度达6m的上覆11-3煤层相距很近，开采过程中产生的较大的集中应力和动压会导致围岩应力急剧、大幅上升，为了避免后期巷道发生更为严重的变形与破坏，保证其正常的使用，决定对-650m东翼轨道大巷进行加固。

1.1 巷道前期破壞因素

依据对巷道所处地理环境、围岩性质、工作面布置与开采情况的了解与分析，巷道前期破坏的主要因素可概括为如下3个方面：

（1）目前巷道上方煤层的右翼工作面已经开采完毕，该工作面边缘距巷道的水平向距离约130m左右，该工作面的开采已使得包括巷道在内区域的地应力重新分布，重新分布后的水平地应力较工作面开挖前发生了较大的增加。

（2）巷道所处围岩内部具有较大的构造应力，构造应力使得巷道发生了极为明显的非对称变形。

（3）轨道大巷与回风大巷相距很近，只有25m左右，两条巷道开挖产生的次生地应力互相影响。

由于上述因素的影响，巷道目前破坏十分严重，且反复修复后并无明显效果。

1.2 巷道后期破坏因素

距巷道正上方20m-35m处有5m-6m厚的煤层待采，正上方1131（3）工作面的开采将形成非常大的动压影响，这一影响对巷道的破坏程度将远远超过巷道前期的破坏程度，使得巷道处于更为恶劣的应力环境中。

2 补强加固基本方案

1131（3）工作面下方-650m东翼轨道大巷原支护方案为锚网喷支护方案，因破坏较为严重，初步进行的修复方案为在巷道内侧套架29U型金属棚。

初期修复采用的棚间距800mm，巷道的加固需在目前架棚的基础之上进行。针对此种情况，经反复研究、讨论，最后形成如下的补强加固方案。

2.1 加固工艺

先布置锚杆（索），后注浆；由下向上安装帮部锚杆（索）→安装拱腰部位锚杆（索）→安装顶部锚杆（索）→安装底角锚杆（索）→混凝土喷层→注浆。

2.2 基本加固参数设计

底角锚杆（索）：锚杆（索）采用Φ24mm×3000mm20MnSi左旋无纵筋螺纹钢高强预应力锚杆（索），锚杆（索）托盘为10×150×150 mm的蝶形钢板。锚杆（索）与水平呈400—450角度布置，底角锚杆（索）孔必须钻在帮底交界处，托盘下必须用混凝土填实，托盘与底角锚杆（索）必须呈垂直关系，排距800mm。

帮部锚索：锚索采用Φ22mm×5000mm的高强锚索。帮部补强锚索共两排，具体方式与布置位置见图1所示。

拱腰部锚杆（索）：锚杆（索）采用Φ24mm×3300mm20MnSi左旋无纵筋螺纹钢高强预应力锚杆（索），锚杆（索）托盘为10×150×150 mm的蝶形钢板。拱腰部锚杆（索）处于拱腰部位，锚杆（索）与水平呈450角。

顶部锚杆（索）：锚杆（索）采用Φ24mm×3300mm20MnSi左旋无纵筋螺纹钢高强预应力锚杆（索），锚杆（索）托盘为10×150×150 mm的蝶形钢板。锚杆（索）处于拱顶中部。

箱梁：用旧29U型棚截割制作而成。每垮箱梁长度1000mm，共约束2架棚腿。箱梁中开设直径26mm的圆孔作为锚杆（索）的穿孔。拱腰部位和顶部的箱梁必须用卡揽与U型棚紧密拴在一起，以防锚杆（索）断裂箱梁下落伤人。

2.3 注浆施工参数

喷砼：巷道全断面喷厚100mm，强度为C20，采用P.O32.5水泥，水泥：黄沙：瓜子片按重量配比为1：2：2，水灰比为0.45：1，速凝剂为水泥重量的3%。

注浆孔布置

浅孔排距为3.6m，孔深为2.0m。每排5孔，正顶布置一个，两侧肩窝、底角各布置一个，孔口管规格均为26.75×3.25×800mm。

注浆材料、浆液类型及注浆量

注浆采用单液水泥浆，水泥选用P.0.42.5普通硅酸盐水泥。水灰比为1：1，注浆量以实际发生量为准。

注浆压力

浅孔注浆设计终压为2.0Mpa。

单孔注浆结束标准

达到设计注浆压力，并稳压达10分钟以上。

3 巷道支护设计原理

3.1关键加固点加固机理

所谓关键加固点，是指具有“制一点而固全身”的特殊点位。

准确地找出关键加固点，不仅可以有效的控制围岩的变形，而且可以节省大量的支护材料，做到有的放矢。

作为关键加固点，在此加固之后，应表现出特殊的功效，这种特殊的功效主要反映在如下几个方面：

（1）加固点本身变形动因较小，加固材料本身不容易破坏，从而保证能够长期的发挥作用；

（2）加固点实施特殊加固，可以大大削弱围岩其它部位的地应力或因巷道开挖产生的破坏应力大幅增大现象，发挥系统效应；

（3）能够充分发挥加固材料（锚杆（索）、锚索）的某种特殊能力，将本应由围岩承担的地应力，转化成由支护体来承担，一方面充分利用了支护材料固有特性，同时也使得围岩的变形动因（围岩应力）大为削弱；

（4）能够将围岩自承载能力发挥到较大的程度。

3.2 金属支架的承载能力增强机理

根据松动圈控制机理的分析，巷道支护的主要对象是围岩松动圈内部的碎胀力，只有碎胀力提高到能够给予外围稳定岩体一个足够大的径向力的时候，松动圈的扩展才可以得到抑制，松动圈才能够稳定下来，只有松动圈稳定了，巷道的变形才能够停止。

在上述松动圈稳定的过程中，有一点是十分重要的，即支护结构具有足够的强度抵抗碎胀力的增长，且直至松动圈稳定时支护结构仍处于良好的稳定状态中。如若在松动圈趋向稳定的过程中，支护结构抵御不住碎胀力的作用而发生较大变形，这会导致松动圈内碎胀力的迅速降低，使得松动圈与外围稳定岩体之间的作用力大幅下降，最终结果是松动圈的进一步扩张。为此，提高支护结构的承载力是稳定松动圈最有效的手段。对于初步修复方案中单纯地U型棚支护，经“箱梁+锚杆（索）（索）”补强后，承载能力可提高8倍以上，这不仅对抵御目前的构造应力、次生地压有显著效用，对后期近距离顶煤开采所形成的动压同样效果显著。

支护强度的大幅提升，保证了松动圈内碎胀力的迅速升高，从而快速抑制松动圈的扩展。

4 结论

经过补强方案对巷道加固，现场布置测点，对1131（3）工作面开采期间巷道变形量进行观测，虽然无论是腰线、顶底还是顶板，变形量观测数据都很离散，但是每日变形量均呈下降趋势。变形速度随着1131（3）工作面开采与测点的距离而逐渐递减，最后达到稳定数值，可以得出变形量与1131（3）工作面推进之间有一定的联系，巷道进行过加固补偿，变形量都在可控制范围内。由此可以初步得到以下结论：虽然-650m东翼轨道大巷受到1131（3）工作量开采所引起的动压影响，产生一定的变形量。但是经过补强加固，变形量得到抑制并控制在所要求的范围内，可以保证-650m东翼轨道大巷的正常使用。

（作者单位：淮南矿业集团潘二矿潘四东井）