大采深强冲击倾向性小煤柱沿空巷道支护技术研究

陈海瑞，张金虎，邢鲁义，许永祥

(1.陕西正通煤业有限责任公司，陕西 咸阳 713600；2.天地科技股份有限公司 开采设计事业部，北京 100013；3.煤炭科学研究总院 开采研究分院，北京 100013；4.山东科技大学 矿业与安全工程学院，山东 青岛 266590)

为了提高煤炭的采出率，窄煤柱护巷及无煤柱技术逐渐推广应用，但由于采深的逐年增加，无煤柱(小煤柱)护巷难度越来越大，且部分矿井存在冲击倾向性，巷道围岩出现大变形，严重制约了工作面推进速度的提高和煤炭资源的回收[1-4]。姜福兴教授等[5]以沿空巷道应力场分布为切入点，分析得到沿空巷道围岩高应力区附近的高应力差区是发生冲击地压的主要区域，通过合理布置沿空巷道位置，调整实体煤巷帮与高应力峰值位置间距，有效控制了冲击地压灾害；姜鹏飞等[6]采用数值模拟的方法分析了沿空留巷围岩变形特征，提出了沿空留巷的合理支护对策；许永祥[7-8]通过沿空掘巷与高强度锚杆(索)高预应力支护技术的综合应用，减小了特厚综放工作面煤柱损失、改善了围岩应力环境；樊克恭教授等[9]针对厚煤层大断面沿空掘巷变形严重等问题，综合研究认为原岩应力高、巷道两帮岩性差、支护结构及参数不合理等是导致巷道变形破坏的主要原因，通过小煤柱护巷和联合加强支护方案解决了原支护需多次扩帮、卧底的难题。以上学者的研究揭示了沿空巷道及冲击倾向性机理，并提出相应控制技术，取得良好的效果。但目前针对大采深、有冲击倾向性特厚煤层的无(小)煤柱沿空巷道变形机理及控制技术研究较少，本文针对高家堡煤矿大采深、特厚煤层且具有强冲击倾向性条件，提出与此条件相适应的窄煤柱沿空巷道让压支护技术并进行矿压实测，指导类似条件支护方案的确定，进一步提高无(小)煤柱护巷的适应范围。

1 工程背景

1.1 工作面概况

高家堡煤矿103工作面是首采101工作面的接续工作面，煤厚12.3～14.4m，倾角2°～6°，埋深820～1100m。基本顶为3.9～16.4m的中粒砂岩，直接顶为0.44～6.88m的泥岩。巷道为矩形全煤巷道，净尺寸为5000mm×3600mm。工作面位置及巷道布置如图1所示。

图1 工作面及巷道布置示意

1.2 原支护方案

基于经验法进行了103工作面支护方案的初步设计，首采101工作面详细设计参数如表1所示。

表1 101回风巷支护方案

通过对初始支护方案综合分析，支护系统支护强度、安装载荷(预应力)和锚杆(索)参数等存在一定问题，根据康红普院士[10-12]研究结果，锚杆预应力太低，无法限制围岩的早期变形，出现松动圈逐步加大，造成锚杆失效；同时针对存在冲击地压的特点，支护系统应具有可变现性和让压性。通过101支护效果现场实测结果，剖析存在问题，对103工作面巷道进行针对性的设计。

1.3 101工作面回风巷道围岩结构实测

为掌握沿空巷道围岩松动圈破坏范围，采用CXK6型矿用本安型钻孔成像窥视仪对回风巷道围岩松动圈发育形态进行测试分析。

对于每个测站的巷道断面，顶板打3个钻孔、两帮各打1个钻孔，孔深4m左右，钻孔电视探测钻孔布置如图2所示。围岩松动圈钻孔电视测试结果如图3所示。

图2 围岩松动圈探测钻孔

图3 围岩结构钻孔电视测试结果

由钻孔成像图可以看出，对于顶板中部和工作面帮在钻孔深度范围内，浅部煤层裂隙比较发育、破碎，煤层在1.5～1.6m深度仍发育有明显裂隙，2.2m深度以内的煤层未再有裂隙出现，可以确定该断面顶板中部的松动圈大小为2.2m。对于煤柱帮钻孔，1.8m处的煤体依然比较破碎，2.6m处仍有裂隙出现，3.0m深度以内的煤层尚未发现有明显裂隙，所以，该断面生产帮中部的松动圈大小为2.6m。据此得知松动圈在小煤柱侧最大为2.6m，在实体煤一侧最大为2.2m。

在现用的支护体系作用下，巷道围岩松动圈总体的变化范围为2200～2600mm，均属于大松动圈中的Ⅴ类不稳定围岩。松动圈实测为锚固范围的确定提供了依据。

1.4 冲击倾向性评价

基于地质因素影响下冲击地压危险指数、开采技术因素影响下冲击地压危险指数和冲击地压危险性综合指数对冲击危险等级进行综合评价，由于4煤层弹性能量指数为12.45，本身具有强冲击倾向性，最大埋深大于1000m，煤层上覆巨厚岩层，不仅易悬顶而导致弯曲弹性能在煤体内积聚，还会因断裂产生冲击动载诱发冲击地压，上述综合因素造成冲击危险等级为强冲击危险。

1.5 巷道变形机理分析

通过现场矿压观测结果得出，由于锚杆预应力过低且表面支护不完善无法限制围岩早期变形，导致松动圈扩大且无法进一步限制围岩运动造成巷道大变形，表面煤体破碎或托盘发生翻转变形，造成锚杆、锚索失效。

2 沿空巷道支护方案设计

2.1 设计原则

支护体(锚杆或锚索)和围岩间必须达到围岩应力-锚杆载荷平衡(应力-耦合)，围岩位移-锚杆变形协调(变形耦合)。为了保证围岩稳定性和防止锚杆(索)破断，锚杆(索)支护设计必须满足：足够的安装载荷以保证及时主动支护；适当的支护强度以保证锚杆(索)和围岩间的应力载荷平衡(应力-载荷耦合)；围岩表面位移满足围岩稳定性要求；足够的延伸距离以保证锚杆(索)和围岩间的变形协调(变形耦合)；合理的锚杆(索)的有效支护长度。

2.2 巷道围岩控制原理

(1)高预应力 高家堡煤矿103工作面回风巷围岩和支护系统受到深井高地压、强冲击倾向性和采动应力的综合影响，因此，要求巷道的支护系统应具有足够的强度来适应巷道的地质与采矿条件。

(2)可变现性及让压性 根据前期矿压监测结果，回采巷道受工作面动压影响，会发生明显变形。支护系统必须具有让压变形功能以让掉“不可控制”的变形，让压必须是在一定支护强度基础上的控制让压即缓慢让压，以防止支护系统失效。

(3)辅助措施 合理的表面控制措施要求护表构件不仅要有合理的刚度和护表面积，而且要求其抗弯性能要好，保证在巷道围岩压力和变形较大的情况下适应变形需要；同时优化材料结构，使其具有抗冲击性，适应开采条件要求。

2.3 支护方案

基于整体耦合让压理念进行了支护方案优化，优化后支护方案见表2和图4。

表2 103回风巷优化后支护方案

图4 优化后支护参数

(1)锚杆 新支护方案锚杆杆体的材质由普通强度的Q335提高到Q500，提高支护强度；杆体冲击功由原来大于45J提高到大于100J，增加抗冲击能力；杆体直径由20mm提高到22mm，提高支护强度；锚杆长度由2300mm提高到2800mm，避免松动圈扩大后锚杆失效；锚杆结构由全螺纹锚杆变为滚丝锚杆，提高锚杆的预紧力；锚固端由普通螺纹结构改为蛇形结构，提高锚固力；增加了让压环，增加锚杆变形量，实现耦合让压支护效果，适应巷道动压和大变形特点；锚杆间排距由800mm×800mm，提高到980mm×1000mm(顶板)和1000mm×1000mm(两帮)，提高锚杆的支护效率，提高巷道掘进速度。

(2)锚索 在煤柱侧增加两排锚索，提高帮部支护的效果；帮部锚索锚固端增加密集鸟窝结构，解决帮部锚索“三径比”不合理、锚固力不足的难题；增加了让压环，增加锚索变形量，实现耦合让压支护效果，适应巷道动压和大变形特点；锚索间排距由1300mm×800mm，提高到1500mm×1000mm，提高锚索的支护效率。锚索耦合让压结构见图5。

图5 锚索耦合让压结构

(3)表面支护 采用W钢带和钢带托盘代替钢筋梯，提高表面支护强度；锚索采用JM锚索梁代替T型锚索梁，增加护表效果。

3 巷道围岩支护效果评测

3.1 沿空巷道煤体应力监测

钻孔应力计及围岩变形设置1号和2号2个测站，2测站间距70m，每个测站在煤柱侧布置3m，4m，5m共3个点；在工作面侧布置3m，5m，7m，9m共4个点，应力计间距为1m，如图6所示。图7为第2测站各测点在与工作面不同距离处不同深度钻孔应力的实测结果及其规律。

图6 钻孔应力计布置示意

图7 第2测站工作面帮钻孔应力变化实测结果

钻孔应力监测结果表明：

(1)工作面帮 各测点钻孔应力为先增大后降低，当测点进入超前支承压力显著影响区范围内，应力值由最大值开始减小，得出超前压力影响范围约为50～60m；在超前支承压力影响前，3m测点处的钻孔应力值在安装应力附近变化，超前压力影响范围内，3m测点处的煤体应力增大较小，说明3m测点处的煤体本身就处于较高的支承压力作用下；5m，7m，9m测点处的钻孔应力值受到超前支承压力增加明显，且深部测点变化更明显，说明5m，7m，9m测点处的煤体比较完整，承载能力较高，受采动影响后处于较高支承压力作用下。为保证锚杆支护效果，同时使沿空巷道及围岩尽可能处于较低应力作用环境，结合101工作面侧向支承压力监测结果分析，类似条件工作面沿空掘巷小煤柱宽度不宜大于7～9m。

(2)煤柱帮 3m和5m测点处应力较4m低，且4m测点处煤体应力值与安装应力基本相当，说明4m测点处煤体较稳定、承载能力高，有利于发挥锚杆的锚固性能。

3.2 巷道围岩变形量

从巷道掘出到工作面回采影响的整个过程中，在较大采深及采动影响条件下，第1测站处巷道顶底板移近量为126mm，移近率为3.71%；第2测站处顶板平均下沉量70.5mm(因巷道积水仅测到顶板下沉量)；巷道两帮的平均移近量仅为198.3mm，平均移近率仅为3.97%，锚杆(索)的让压环普遍未开启。说明目前的支护参数及支护强度完全能够满足103工作面沿空巷道(回风巷道)围岩的支护要求，锚杆(索)预紧力整体较高，在较高的支护刚度作用下，不仅巷道浅部围岩能够得到及时有效支护，而且有效地防止了破碎围岩向深部发展，提高了深部围岩的自支承能力，大大减轻了巷道围岩的变形程度，巷道整体支护效果良好。

4 结 论

针对高家堡煤矿大采深、特厚煤层且具有强冲击倾向性条件，进行了沿空巷道窄煤柱支护技术研究，得到如下结论：

(1)在101工作面支护实测基础之上，基于整体耦合让压设计理念，设计高强预应力蛇形让压锚杆和鸟窝耦合让压锚索提高锚固范围内岩层的整体刚度，及时有力地抑制了巷道浅部破碎围岩的有害变形，同时有效防止了破碎围岩向深部发展，提高了深部围岩的自承能力。

(2)锚杆(索)支护体系能够提供较高的支护强度及刚度，锚杆、锚索及钢带等支护构件整体能够对巷道围岩起到有效锚固作用，锚杆、锚索发挥了较高的耦合支护性能，巷道整体支护效果良好。