采空区下主要运输巷道支护方式研究

李 锐

（山西阳煤集团新景公司，山西 阳泉 030052）

近距离煤层的开采通常采用下行式开采，由于层间距较近，下部煤层受上部煤层开采扰动及区段留设煤柱的影响，造成了下煤层回采巷道推进时矿山压力不断增大，给下方回采巷道的维护带来一定困难，影响矿井的安全生产。因此，实现对近距离煤层采空区下回采巷道的加强支护具有重要意义。本文针对新景矿43108工作面主要运输巷道因矿山压力巨大而导致的严重变形问题展开研究，提出了以高强预应力锚杆和锚索联合支护为主、工字钢支护为辅的高稳型新型支护方式。

1 工程概况

新景矿目前主采2#和3#煤层，3#煤层距离上部2#煤层6.31～9.89m，平均为8.45m，属于近距离煤层，采用下行式开采，2#煤层已采空，采空区顶板采用全部垮落法管理。43108工作面布置于3#煤层中，工作面上方留有20m宽区段保护煤柱。43108巷道主要岩石力学参数如表1所示。

表1 43108主要运输巷道煤岩力学参数

43108工作面沿煤层顶板掘进，巷道为矩形断面，上、下净宽均为3500mm，净高2900mm，采用11#工字钢棚支护，排间距为800mm。由于在巷道掘成后，运输巷顶板大面积下沉，导致工字钢顶梁被压弯，棚腿弯曲向内移，并且部分区段出现底鼓。为此，棚间距改为600mm，并在顶梁打锚索梁补强支护，但效果并不明显。

2 巷道失稳变形原因分析

经过现场实测发现，影响43108工作面主要运输巷道失稳变形的主要原因大致分为三种：

（1）巷道布置。3#煤层上部煤层的采空必然导致围岩应力重新分布，应力会向保护煤柱转移，容易造成应力集中现象，保护煤柱上的应力继而向底板传递，底板对下煤层回采巷道施压，造成巷道失稳变形。为有效避免所留设煤柱的影响，同时考虑1.5倍安全系数，应将43108工作面运输巷道与上部煤柱之间的水平距离设置在16m左右。

（2）应力场的分布对于运输巷道的稳定性也会产生影响。由于上部煤层在经过开采后，煤层底板此时可看作一个半无限弹性体，保护煤柱上的应力可看作均布载荷，那么在宽度为20m的均布载荷作用下，煤柱下方的底板所受应力呈现非均匀特性，并且在不同水平面下，距离煤柱越近，应力不均匀特性越明显；同一水平面时，距离煤柱越近的点，应力不均匀特征越明显，应力的这种不均匀分布特性容易出现应力集中现象，造成局部过载，从而导致局部发生失稳变形，如图1所示为应力系数与距煤柱中心距离关系图。

图1 应力系数与距煤柱中心距离关系图

（3）支护方式的不同对于巷道围岩变形情况影响不同，合理的支护方式以及支护强度对于巷道围岩的稳定性起到积极的作用。由于受到上部煤层采动及保护煤柱的影响，43108工作面运输巷道顶板裂隙较为发育，稳定性差。因此，需要采取措施及时支护并加大支护强度，只有形成稳定承载结构，才能防止围岩变形。

3 现场应用及对比分析

通过对现场围岩变形特征分析，提出了两种新型支护方式：

方案Ⅰ：锚杆-工字钢联合支护，锚杆采用Ф20mm×2200mm高强螺纹钢树脂锚杆，顶部及帮部锚杆间排距均设计为800mm×800mm。

方案Ⅱ：锚杆-锚索-工字钢联合支护。锚杆采用Ф20mm×2200mm高强螺纹钢树脂锚杆，每孔均采用2支Z2350中速树脂药卷锚固，鼓型托盘尺寸大小为150mm×150mm×10mm，预紧力矩为300N·m，网筋网规格为2600mm×800mm和3300mm×800mm，网与网之间采用自连方式；锚索加强支护，充分发挥围岩承载能力，配合自连钢筋网支护顶、帮，锚索采用Ф17.8mm×6000mm钢绞线，每孔使用1支K2550和2支Z2550树脂药卷锚固，锚索托梁采用18#槽钢，长度取为300mm，平托盘在锁具和托梁之间，尺寸为140mm×140mm×10mm，锚索预紧力为100kN，顶部锚索间排距设计为1500mm×800mm，帮部锚索间排距设计为1400mm×800mm。

将两种新方案与原支护方案进行对比，发现方案Ⅰ相比原支护方案两帮移近量减少了122.4mm，顶板下沉量减小63.6mm，巷道围岩变形在一定程度上得到控制；方案Ⅱ相比原支护方案两帮移近量减少了178.6mm，顶板下沉量减少了97.4mm。由此可见，随着支护强度的增加，围岩应力状态逐步得到改善，尤其方案Ⅱ对于围岩残余强度和承载能力的提高方面更进一步，两种新方案相比原支护方案结果对比如表2所示。

表2 两种新方案相比原支护方案结果对比分析表

经过对比分析发现，方案Ⅱ的支护效果最好，支护方式采用高强预应力锚杆-锚索联合支护，并辅以高强稳定型工字钢，在锚杆（索）间布置工字钢梯形棚，采用11#工字钢，间排拒为800mm。由于工字钢具有较高的护表能力，对于控制巷道浅部破碎围岩、剪胀变形以及锚杆支护后发生的围岩变形量均具有明显效果。加大支护强度不仅能够使顶板稳定性得到提高，对于围岩残余强度以及充分发挥围岩承载能力也有一定积极作用，方案Ⅱ支护方式如图2所示。

图2 方案Ⅱ巷道支护（单位:mm）

在对43108主要运输巷道运用技术方案Ⅱ后进行观测，发现在3个月的时间内巷道两帮移近量最大值为98.9mm，巷道顶板下沉量最大值为55.1mm，相比原支护方案及方案Ⅰ有了明显改进，巷道围岩变形得到有效控制，为安全生产提供了保障。

4 结语

（1）通过采用“锚杆-锚索-工字钢”联合支护技术，形成高强稳定型支护方案，利用高强预应力锚杆，结合锚索加强支护，并在锚杆（索）之间布置工字钢梯形棚达到高强稳定型支护的要求。实践表明，此种高稳型支护方案对于巷道围岩变形的控制具有良好的效果。

（2）巷道布置存在一定不合理性，那么在由区段煤柱引起的非均匀应力场作用下，43108工作面运输巷道原有工字钢支护无法控制巷道围岩所产生的变形。因此，通过加大支护强度，采用高强稳定型支护技术，及时形成有效稳定的承载结构，从而控制围岩稳定，避免产生强烈剪胀变形。