孤岛工作面新掘巷道卸压和支护机理研究

黄向良

(潞安集团 余吾煤业有限公司，山西 长治 046103)

孤岛工作面回采巷道呈现出巷道围岩破碎、巷道变形严重、矿压显现强烈等问题[1-3]。孤岛工作面巷道围岩破碎区范围大，为确保巷道顺利掘进及巷道掘进完成后满足后期运输和通风要求，避免因巷道出现围岩收敛而进行的重复修巷，如何有效地对巷道矿压进行避让，降低巷道围岩压力，合理调整支护参数，实现主动支护来约束巷道的变形显得十分重要。

1 概况

余吾煤业N1206工作面位于该矿北风井西翼采区南侧，东侧为N2201工作面（已采），西侧为N1205工作面（已采）。工作面可采长度790m，切眼设计长度254m，主采煤层为3#煤层，煤层厚度平均6.4m，煤层倾角为+3°～ -2°，平均倾角2°。

N1206工作面采用“一进一回+高抽巷”的巷道布置方式，巷道N1206回顺紧邻N2201工作面，煤柱30m。N1206高抽巷采用内错式布置，与N1206回顺水平距离和垂直距离均为15m，N1206胶带顺槽紧邻N1205工作面（未掘）。工作面平面图如图1所示。

图1 N1206工作面巷道平面布置简图

2 巷道两帮卸压

N1206回顺紧邻N2201工作面，巷道沿底板掘进，N2201工作面采空区顶板全部垮落，巷道上覆岩层基本稳定。N1206回顺掘进前455m，巷道矿压显现不明显，此后，巷道出现煤体破碎，巷道帮部锚杆受压变形等现象。在掘进至507m时，巷道迎头出现连续煤炮声，并出现巷道顶板高顶、巷道左帮片帮情况。继续往前掘进，极易发生煤巷突出等事故，必须采取可靠的预防措施。

巷道卸压方式通常包括水力冲孔、放炮卸压及钻孔卸压。由于N1206工作面为孤岛工作面，综合考虑巷道煤体条件及瓦斯情况，采用钻孔卸压方式进行卸压。根据相关资料显示[4-5]，巷道帮部施工卸压钻孔能够降低巷道上方及其周围岩体的高应力值及高应力区的范围,并且能够把高应力区及高应力的极大值向煤体深处转移,使得巷道围岩塑性区范围增大，应力集中区往巷道两侧煤体内部转移，钻孔的施工能够给巷道煤体压力集中区域产生一个补偿区域，从而降低巷道帮部近距离侧应力，降低发生巷道煤体突出的风险。钻孔卸压机理示意图如图2。由于N1206回顺巷道紧邻采空区，巷道左帮卸压孔过长容易导致与采空区穿透。因此巷道左帮卸压钻孔单排垂直于帮部打设，钻孔孔径Φ91mm，孔间距2m。巷道右帮为工作面实体煤侧，该帮采取在帮部掘外宽6m，内宽4m，深4m的硐室，在硐室内部向工作面方向打设6个深130m，孔为3

图2 钻孔泄压机理示意图

排2列，钻孔孔径91mm的卸压孔，卸压孔布置方式如图3。

图3 巷道两帮施工泄压孔图

3 支护优化

通过卸压钻孔降低巷道围岩内部压力，使得巷道内部岩层区域稳定，巷道两帮支撑压力峰值转向煤体内部，使得整个巷道围岩松动圈外层区域稳定。但巷道围岩松动圈内部煤体破碎，会产生两帮收敛及底板底鼓等现象，还需通过优化巷道帮锚杆支护设计，增强巷道表面受力情况来控制巷道围岩变形。

巷道两帮原支护由单钢筋托梁+5根锚杆变更为单体锚杆+W钢护板进行支护，示意图如图4。采用W钢护板，厚度不小于5mm，宽度280mm，长度450mm，高度不低于25mm。锚杆布置：锚杆排距900mm，每排每帮4根锚杆，间距1000mm。锚杆预紧扭矩要达到400Nm，且不能超过550Nm。

原支护方式下，两帮主要采用钢筋托梁进行护表，但钢筋托梁与围岩表面为线接触，围岩单线集中应力下容易破坏，且接触面积小，不利于预应力扩散，采用W钢护板扩大表面，避免上述缺点，能更好发挥锚杆主动支护作用。

新支护方案下，锚杆预紧力矩不低于400Nm，相较于传统支护方式下，提高了初始预紧力，大幅提高了轴向作用力。钢带实现了锚杆预应力的有效扩散，显著提高了对锚杆之间围岩的支护作用，支护系统的整体支护效果明显改善。

图4 帮部优化支护图

4 工程应用效果

通过对巷道内部施工卸压孔，使得巷道周围塑性区发生变化，应力峰值转向巷道周边煤体深部。通过优化巷道帮部支护，实现帮部受力面积的变化，来实现巷道的安全高效生产。

N1206回顺掘进期间，每200m安装一组表面位移测站，通过十字交叉法测量巷道围岩变形情况，如图5。其中B测站位于巷道400m处，该处巷道两帮未施工卸压孔，C测站位于巷道600m处，该处巷道已经在两帮施工了卸压孔，并优化了帮部支护。巷道B、C测站围岩变形情况，如图6、7所示。

巷道十字交叉法测量示意图，在巷道顶板及两帮中间打设木茬进行测量巷道顶底板及两帮收敛情况。

图5 十字交叉法测量示意图

图6 巷道B测站表面位移记录图

B测站数据显示，巷道顶底板变形量较大，底板底鼓量较大，40d之内顶底板移近量达到0.9m，两帮移尽量最大达到0.56m左右，巷道在工作面停产期间多次进行拉底。

图7 巷道C测站表面位移记录图

C测站与B测站巷道表面位移做比较，巷道顶底板变形量最大值低于0.4m，且30d之后基本处于稳定状态，巷道掘进前期变形量较小，巷道底鼓量不大，两帮移近量最大值低于0.3m，巷道进行卸压和支护优化设计后，巷道收敛率明显降低，通过对比曲线发现，C测站处巷道变形斜率明显降低，且在一个月之内很快达到稳定状态。

现场施工时，施工卸压孔及帮部支护优化后巷道两帮煤体破碎程度好转，且巷道响煤炮声由每班响10次左右降低为每班3次以下。

5 结论

（1）通过巷道两帮卸压钻孔的卸压，降低了两帮煤体的应力集中，煤炮声次数减少，说明矿压显现降低明显。

（2）通过对巷道两帮支护进行优化设计，改善了巷道表面受力状况，优化了巷道围岩表面受力状态，实现了巷道的优化支护。

（3）通过对巷道内部与外部受力状态的改变，巷道收敛程度明显降低，实现了安全生产，为类似条件下巷道掘进提供了参考。