孤岛工作面7 m小煤柱沿空掘巷动压巷道支护技术研究

李世和

(阳泉煤业(集团)有限责任公司寺家庄矿，山西省阳泉市，045000)

由于小煤柱沿空掘巷技术具有提高煤矿资源回收率、提高煤层瓦斯抽采效率等优点，目前已在煤矿得到普遍的推广和应用。小煤柱沿空掘巷技术的关键是维护巷道围岩安全可靠性，许多学者对小煤柱沿空掘巷围岩破坏机理与巷道支护技术开展大量的研究，取得了丰硕的成果。华心祝等提出沿空掘巷基本顶的力学模型，推导出受动压影响时巷道顶板下沉量的计算公式，据此进行巷道支护参数设计和工程实践。何富连等针对孤岛工作面沿空掘巷支护难题，提出高强度、高预紧力锚杆与斜拉锚索梁结构联合控制技术。煤炭科学研究总院康红普院士团队在巷道围岩地质力学测试、动态信息支护设计、高强度与高刚度支护材料、快速施工机具与工艺、工程质量检测与矿压监测及锚固与注浆联合加固方面开展了多年研究，在各类煤矿复杂困难巷道进行工程实践，围岩强烈变形情况得到有效控制。

综上所述，本文基于寺家庄矿特厚煤层孤岛工作面7 m小煤柱沿空掘巷复杂开采条件，采用多项研究手段，从地应力测试、巷道支护优化、锚杆锚索布置方式、施工工艺等方面进行系统优化和改进，提出巷道支护综合治理技术，可为类似条件下的煤巷围岩控制提供一定的参考。

1 工程背景

15106工作面位于寺家庄矿中央盘区，工作面邻近北部有4条已掘中央盘区准备巷道，南部无采掘工作面。15106工作面东部为15108工作面，(已于2013年7月回采结束)，西部为15104工作面(已于2011年5月回采结束)，工作面之间煤柱尺寸均为7 m。15106工作面地面标高965～1080 m，井下标高511～550 m，巷道平均埋深492 m。15106工作面进风巷沿15#煤层顶板掘进，15106进风巷巷道断面为矩形，掘进宽度5.4 m，掘进高度4.5 m。15#煤层平均厚度5.35 m，平均倾角6°。15106工作面巷道布置如图1所示。

图1 15106工作面巷道布置示意图

2 巷道支护重难点分析

分析寺家庄矿小煤柱沿空掘巷巷道支护存在的重难点，主要体现在以下几方面。

2.1 煤柱尺寸小，经受多次动压，应力情况复杂

以井下正在掘进的15106回风巷为例，由于煤柱尺寸仅7 m，巷道所处的应力环境恶劣，巷道在掘进期间出现底鼓现象，巷道底鼓量达500 mm。

2.2 巷道沿顶底布置，巷帮支护难度大

寺家庄矿巷道沿15#煤层顶底板掘进，巷道高度4.5 m，局部地段巷道高度达5 m以上，巷道高度大，两帮支护难度大，变形严重，在邻近工作面采空区压力作用下巷道两帮严重挤压变形，巷道整体变形量较大。

2.3 巷道围岩条件差，稳定性差

寺家庄矿15#煤层厚度大，平均厚度超过5 m，特别是15#煤层顶部2～3 m范围内煤体强度低，松软破碎，稳定性差，存在随掘随冒的现象，片帮严重，控制难度较大，特别是经过地质构造和高瓦斯含量的区域，巷道两帮成型差，巷帮锚固力很难满足要求。

2.4 瓦斯抽采对巷道支护的影响

寺家庄矿是高突矿井，15#煤层瓦斯含量高，施工前需底抽巷施工超前预抽孔，施工区域瓦斯抽放孔呈扇形布置，多种钻孔交叉布置，导致巷道两帮煤质松软及空洞。

3 窄煤柱沿空掘巷巷道支护技术优化

3.1 锚杆锚索支护前期试验与测试

在巷道支护设计之前，在15106进风巷开展大量锚杆和锚索锚固性能测试，测试数据见表1。试验结果表明，直径20 mm、钢号500号、长度2.2 m、采用1支Z2360树脂锚固剂的锚杆锚固力达到157 kN。顶板锚索采用直径21.8 mm、长度6.2 m、1支CK23120树脂锚固剂，锚固力达到350 kN。帮部锚索采用直径17.8 mm、长度4.2 m、2支Z2360型树脂锚固剂，上部、中部和下部煤层平均锚固力分别为145 kN、191 kN和214 kN，呈现明显的上软下硬现象，其中帮锚索带箍能够明显提高锚索锚固力。

表1 寺家庄锚杆锚索锚固性能试验数据

3.2 巷道围岩地质力学参数测试

2016年12月寺家庄矿在15106工作面运输下巷进行了巷道围岩地质力学参数测试，测试内容包括巷道围岩应力、围岩强度和围岩结构。测量数据表明，寺家庄矿15#煤层最大水平主应力14.20 MPa，最小水平主应力7.27 MPa，垂直主应力9.44 MPa，最大水平主应力方向为北偏西48°。巷道顶板强度测试数据表明，测试地点顶板以上0～2.2 m范围内为泥岩，平均强度32.22 MPa，2.2～7.8 m范围内为泥质砂岩，平均强度46.07 MPa，7.8～10.0 m范围内为细砂岩，平均强度37.86 MPa。15#煤层平均强度15.10 MPa，其中上部煤层强度低，煤质松软，下部煤层强度高。

3.3 支护材料升级优化

寺家庄矿原有煤层巷道顶板采用全锚索+波纹钢带支护，锚索直径21.6 mm，长度7.2 m，巷帮采用圆钢锚杆+锚索+钢筋托梁联合支护，存在支护构件不匹配、顶帮支护不协调的问题，影响巷道支护效果。针对这种情况，研发出300 mm×280 mm×14 mm异形拱形托板，承载能力不低于607 kN，并配合高强调心球垫，力学性能与W型钢带配套。帮锚索采用300 mm×300 mm×12 mm的拱形托板，承载能力不低于353 kN，托板厚度12 mm，在保证托板强度的基础上，适当降低托板厚度，实现降本增效的效果。

3.4 巷道支护核心参数

锚杆锚索预紧力是巷道支护中的核心参数，对巷道支护效果起到关键作用。设计巷道锚杆预紧力矩从原有的120 N·m增加至400 N·m，顶板锚索预紧力从200 kN增加至300 kN，帮部锚索预紧力从100 kN增加至200 kN。同时对现有巷道施工机具进行升级，配备性能可靠的锚杆锚索预紧力施工和检测机具，例如8～10倍放大系数的锚杆扭矩倍增器、高转化系数的锚索张拉千斤等，保证锚杆锚索顺利施工。

4 工程实践

4.1 正常段巷道支护设计

根据锚杆锚索支护前期试验测试结果和巷道围岩地质力学参数测试数据，并结合数值模拟和工程实践经验，最终初步确定寺家庄7 m小煤柱沿空掘巷15106进风巷正常地段支护参数如图2所示。

图2 15106工作面进风巷锚杆支护初始设计示意图

由图2可知，采用W型钢带和异形锚索托板进行护顶，其中顶板布置5根直径21.8 mm、长度6.2 m的锚索，W型钢带宽度280 mm，长度5.3 m，间距1250 mm，排距900 mm。巷帮上部布置3根直径17.8 mm、长度4.2 m的锚索，下部布置2根直径20 mm、长度2.2 m的500#螺纹钢锚杆，间距900 mm，排距900 mm。顶板采用单层经纬网，巷帮采用双层菱形金属网。

4.2 特殊段巷道支护设计

由于15104回风巷在掘进过程中每隔50 m布置1个长度5.0 m、宽度4.2 m的瓦斯钻场，因此15106进风巷后续掘进至15104工作面采空区钻场时，巷道煤壁宽度约2.8 m，属于特殊复杂地段，无法正常施工帮锚索，为保证巷道安全稳定，小煤柱巷帮采用直径20 mm，长度1.5 m的500#螺纹钢锚杆。

另外，15106工作面进风巷掘进至距离采空区钻场小煤柱巷帮2 m时停止掘进，采用木点柱进行加强支护，在巷道掌头中上部施工2个注浆孔，1号注浆孔与掘进方向成60°布置，2号注浆孔与掘进方向成45°布置。注浆材料为罗克休或科瑞特。已掘巷道煤柱巷帮锚杆锚固力不足时，采用注浆的方法对煤岩体进行加固封闭，注浆材料为煤岩体加固剂，注浆孔间距2 m，深度4 m，注浆滞后工作面煤头5 m。

4.3 矿压监测与分析

4.3.1 支护体受力特征分析

对顶板锚索、帮部锚索和帮部锚杆受力情况进行监测，监测结果如图3所示。由图3可以看出，顶锚索初期预紧力在214～237 kN之间，后续基本保持稳定，最终稳定在218～248 kN之间，受力增加的幅度较小。帮锚索1位于实体煤侧帮部，帮锚索2位于小煤柱侧帮部，可以看出帮锚索1受力出现明显的增加，从79 kN增加至136 kN，而帮锚索2受力从97 kN缓慢增加至106 kN，后降低至78 kN，这主要是由于小煤柱帮后续变形破碎导致锚固力下降。相对而言，煤层下部帮锚杆在施加初始预紧力之后后续基本保持稳定，受力比较稳定。

4.3.2 围岩表面位移监测曲线

巷道围岩表面位移如图4所示。由图4可以看出，采用新型支护方案后，顶板和巷帮围岩变形量较小，其中顶板下沉量53 mm，巷帮变形相对较大，小煤柱侧帮变形量96 mm，实体煤侧帮部变形量32 mm，相对原有巷道支护变形情况，巷道围岩得到有效控制，巷道变形量同比减少60%，说明新型支护方案在寺家庄矿孤岛工作面7 m小煤柱沿空掘巷得到很好的应用。

图3 锚杆锚索受力监测曲线

图4 围岩表面位移监测曲线

5 结论

(1)寺家庄矿小煤柱沿空掘巷存在煤柱尺寸小，巷道应力复杂，围岩条件差，巷帮稳定性差，瓦斯抽采破坏等系列因素的影响，对巷道支护提出较高的要求。

(2)从地质力学参数测定、巷道支护优化、锚杆锚索布置方式、施工工艺等进行系统优化与改进，提出以锚索支护为主、锚杆支护为辅的围岩控制方法。

(3)现场实践表明，通过对原有巷道支护技术进行优化后巷道支护效果明显改善，巷道变形量同比降低60%，取得了良好的支护效果。

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