某矿综放面沿空掘巷支护效果分析

武建国

(山西汾西矿业集团柳湾煤矿，山西 孝义 032300)

1 工程概况

某矿为特大型矿井，年产量为800万t，1306工作面轨道顺槽属于一采区，位于-660 m水平，地面标高约为+46.36 m～+50.32 m，井下标高约为-576.3 m～-516.4 m。

1306轨道顺槽沿底板在3煤中掘进，3煤内部发育两层夹矸，一层在距煤层底板往上5.50 m～5.80 m处，厚度约0.02 m～0.03 m，为粉砂质泥岩；另一层在距底板之上约2.90 m～3.90 m处，厚度约0.30 m～0.50 m，为粉砂岩或泥岩。3煤厚度约8.21 m～9.45 m，平均厚度约8.80 m，煤硬度f=2～3，煤层沉积比较稳定，煤层厚度变化比较小。3煤直接底为一层厚度约1.00 m～2.65 m的粉砂岩，硬度系数f=4～6；3煤直接顶为一层厚度约0 m～11.64 m的粉砂岩，硬度f=4～5；3煤老顶为一层厚度约14.35 m～23.34 m的中、细砂岩，硬度f=5～7。3煤层具有一定弱冲击倾向性。

2 巷道支护方案设计

1306轨道顺槽布置采取留小煤柱沿空掘巷的方式，顺槽为梯形断面，巷道掘进方向为沿3上煤和3下煤的夹矸上平面，巷道净高不低于3 800 mm。3下煤和夹矸厚度小于3.8 m，破3上煤，沿3下底板方向掘进，巷道高不小于3.8 m：3下煤和夹矸厚度为3.8 m～4.5 m时，掘进方向为沿夹矸上平面及3下煤底板；3下煤和夹矸厚度大于4.5 m时，在底板处留底煤控制巷道高度不小于3.8 m。沿空巷道实体煤帮扎角87°，煤柱帮扎角90°，下底净宽度为5.0 m，上底净宽度为4.8 m；净断面面积为18.62 m2；巷道掘进高度为4.0 m，下底掘进宽度为5.2 m，上底掘进宽度为5.0 m，掘进断面面积为20.4 m2。

本巷道所设计的支护方式为锚网带和锚索联合支护，本文从顶板支护、实体煤帮支护、小煤柱支护三方面分别说明设计的支护方式及参数[1-3]。

2.1 顶板控制

每排安设7根Φ22 mm×2 400 mm左旋无纵筋螺纹钢锚杆，杆体强度为KMG500，每根锚杆用2支CK2570树脂锚固剂，在端部用1块60 mm×60 mm×10 mm铁托盘加固。锚杆间距为750 mm，排距为800 mm。钢带两端锚杆与水平方向呈75°角斜向上打注，其他顶部锚杆垂直于顶板打注。

距巷中左右750 mm各布置一排锚索，锚索排距1 600 mm。锚索尺寸为22 mm×8 500 mm，锚索用钢绞线制成，每根锚索使用1支CK2550树脂锚固剂，2支CK2570树脂锚固剂，端部使用1块尺寸为250 mm×250 mm×18 mm的碟型钢托盘。锚索打注滞后迎头不超过4 m。

巷道顶部使用4 800 mm长的梯型钢带，钢带端头眼孔为滑孔，孔距为750 mm。顶板布置金属菱形网，菱形网材料为8#镀锌铁丝，网格尺寸为50 mm×50 mm，临近2片网间联接12#双股铁丝。网间搭接50 mm～100 mm，联网扣布置于菱形网锁边往里第1个十字绞点处，每隔一个绞点联一扣，拧扣不得少于3圈。

2.2 小煤柱加固

每排安设5根Φ20 mm×2 000 mm全螺纹钢锚杆，杆体强度为KMG400，每根锚杆使用2支CK2550树脂锚固剂，端部用1块规格为150 mm×150 mm×10 mm的弧形铁托盘加固。在钢带往下不大于200 mm处打注第1根锚杆，两帮第1根锚杆与水平方向呈15°～25°仰角打注，第2根到第4根垂直于煤壁打注，锚杆上、下间距为800 mm，第5根斜向下与水平方向呈15°～20°俯角，距离底板小于500 mm，并保证锚杆托盘要紧压金属网。施工过程中要在每次循环架设一排排距为800 mm的钢带，两帮上面的2根锚杆一排一打，第3根可以滞后迎头2排再打注，第4根可滞后3排，第5根可滞后6排，帮部煤壁较松软片帮时需紧跟迎头打注。

沿空帮锚索布置方式为在相邻的锚杆之问隔排插花布置，锚索排距1 600 mm。在沿空帮顶板往下500 mm以25°～35°仰角打注1根5 000 mm长锚索，帮部垂直于煤壁打注1根3 500 mm长锚索。锚索材料为钢绞线，锚索直径22 mm，使用1支CK2550锚固剂，2支CK2570锚固剂，帮锚索使用1块尺寸为250 mm×350 mm×18 mm的碟型钢托盘，预紧力大于80 kN的弧形压力碗1个。上部锚索滞后迎头的距离不大于4 m，下部滞后距离不大于30 m。

巷道帮部布置金属菱形网，从两肩窝直至夹矸下平面以下300 mm布置双层金属网。帮部金属网材料、尺寸及布置方法和顶部相同。

喷浆封闭范围为轨顺巷道沿空帮和顶板0.5 m，厚度为50 mm，要求足够严密、无孔洞。混凝土标号为C20，所用质量配比为m(水泥)∶m(砂子)∶m(石子)=1∶2∶2。喷浆施工时，要不断调整受喷面与喷头的距离和角度，防止喷浆材料回弹，受喷面与喷头距离约0.8 m～1.0 m。喷浆机喷射时的供风压为0.2 MPa左右，水压高于风压0.1 MPa。喷射过程中应及时调整给水量，水灰比例应控制在0.4～0.5。同时，要保证反复喷射均匀，并确保封堵密实，无缝隙或孔洞。喷射时如果有停风或堵管现象发生，应立即将喷头下垂，以防止水倒流，并及时停电、停风。人工卸料时，速凝剂掺入混合料内要均匀。根据不同的喷射要求，速凝剂掺入量应控制在水泥的3%～5%，喷顶取上限。

2.3 实体煤帮支护

帮部锚杆的布置方式与煤柱帮相同。根据该采区现有的沿空顺槽观测结果，在超前支承压力影响下，巷道表面变形较大，特别是两帮变形。所以需在巷道实体煤帮另外补打长锚索加强支护。

在实体煤帮布置2根规格为Φ22 mm×8.5 m的长锚索。帮部上方锚索在顶部锚杆之下50 cm，以15°～25°仰角打注，安装时应保证锚索穿过顶板夹层；中部锚索在实体煤帮第3根锚杆之下0.35 m，垂直于煤壁打注。每两排锚杆布置一排锚索，即，锚索排距1.6 m。

锚索材料为钢绞线，每孔采用一支CK2550和2支CK2570树脂药卷加长锚固，预紧力应大于80 kN，锚固力大于200 kN，以保证效果。实体煤帮金属网的布置方式与小煤柱帮相同。

1306轨道顺槽支护断面如图1所示。

图1 支护断面(mm)

3 支护效果实测分析

为了研究上文支护方式和参数的实际支护效果，在轨道顺槽中设置测站，对巷道表面位移进行了监测。监测数据反映巷道表面位移的大小及巷道断面缩小程度，判断围岩的运动是否超过其安全允许值，是否影响巷道的正常使用。具体包括：顶板下沉量、底臌量、实体煤帮位移量和煤柱帮位移量，进一步得到顶底板及两帮相对位移量[4-5]。

在1306轨道顺槽掘进期间，在迎头后方布置3个测点：1#测点(469#钢带375.2 m处)、2#测点(504#钢带403.2 m处)、3#测点(541#钢带432.8 m处)，测点布置如第169页图2所示，将观测数据统计整理，并绘制分析曲线图。

图2 巷道表面位移监测点布置图

以1306工作面回采为例，采用“十字”布点法，在1306轨道顺槽距开切眼90 m、100 m、108 m处各设一组点，将观测数据统计整理，并绘制分析曲线图。

3.1 掘巷期间巷道表面位移

1) 1306轨道顺槽掘进期间，1#测点的监测数据制成的曲线如图3所示。

图3 1#测点巷道表面位移变化曲线

顶底板最大相对位移为145 mm，其中，顶板最大下沉量80 mm，在掘进迎头后方180 m处变形趋于稳定；最大底臌量65 mm，在掘进迎头后方180 m处变形趋于稳定。

在观测期间，两帮最大相对位移为340 mm，其中，实体煤帮最大位移190 mm，煤柱帮最大位移150 mm。

由顶底板和两帮的变形可知，巷道在迎头后方48 m范围内变形较为剧烈，且两帮移近量大于顶底板移近量。

2) 1306轨道顺槽掘进期间，2#测点的监测数据绘制成的曲线如图4所示。

在观测期间，顶底板最大相对位移为193 mm，其中，顶板最大下沉量109 mm，在掘进迎头后方170 m处变形趋于稳定；最大底臌量84 mm，在掘进迎头后方170 m处变形趋于稳定。

在观测期间，两帮最大相对位移为299 mm，其中，实体煤帮最大位移177 mm，煤柱帮最大位移122 mm。

图4 2#测点巷道表面位移变化曲线

由顶底板和两帮的变形可知，巷道在迎头后方70 m范围内变形较为剧烈，且两帮移近量大于顶底板移近量，煤柱帮位移大于实体煤帮位移。

3) 1306轨道顺槽掘进期间，3#测点的监测数据绘制成的曲线如图5所示。

图5 3#测点巷道表面位移变化曲线

在观测期间，顶底板最大相对位移为233 mm，其中，顶板最大下沉量174 mm，在掘进迎头后方125 m处变形趋于稳定；最大底臌量59 mm，在掘进迎头后方148 m处变形趋于稳定。

在观测期间，两帮最大相对位移为445 mm，其中，实体煤帮最大位移287 mm，煤柱帮最大位移158 mm。

由顶底板和两帮的变形可知，巷道在迎头后方62 m范围内变形较为剧烈，且两帮移近量大于顶底板移近量，煤柱帮位移大于实体煤帮位移。

综合分析上述数据，可以得到综放沿空顺槽在掘进期间的变化规律如下：

综放沿空巷道掘进期间的表面位移随距迎头距离的增大而逐渐增大，最终趋于平稳。

巷道表面变形经历了从急剧升高到缓慢升高再到趋于稳定3个阶段，急剧升高段位于距离迎头约70 m以内，趋于稳定段位于距迎头180 m以外，巷道顶板变形最终稳定在80 mm～174 mm范围内，底膨变形稳定在59.84 mm，顶底板移近量稳定在145 mm～233 mm，实体煤帮移近量稳定在190 mm～287 mm，小煤柱帮移近量稳定在122 mm～155 mm，两帮移近量稳定在299 445 mm。

沿空顺槽两帮位移大于顶底板位移，而实体煤帮位移大于小煤柱帮。

3.2 回采期间巷道表面位移

在1306轨顺距开切眼90 m、100 m、108 m处设3组测点，观测1306轨顺巷道围岩变形情况。将观测数据统计整理，并绘制分析曲线图。

1) 1306轨道顺槽围岩变形

1306轨道顺槽1#测点的监测数据绘制成曲线如图6所示。

图6 1#测点巷道表面位移变化曲线

由图6可以看出：

a) 测点距工作面煤壁70 m两帮移近量变化基本稳定，64 m时两帮移近量有逐步增大趋势，50 m时进入剧烈影响区，工作面煤壁处两帮移近量变化最大，其移近量为1 268 mm，剧烈影响区域为50 m。

b) 测点距工作面煤壁70 m～73 m时顶底移近量变化基本稳定，64 m时顶底移近量又逐步增大呈上升趋势，50 m时变形量剧增，为剧烈影响区，工作面煤壁处移近量变化最大，其移近量为768 mm。

1306轨道顺槽2#测点的监测数据绘制成曲线如图7所示。

图7 2#测点巷道表面位移变化曲线

根据图7可以看出：

a) 测点距工作面煤壁80 m两帮移近量变化基本稳定，68 m开始两帮移进量逐步增大并呈上升趋势，测点距工作面煤壁4 m处两帮移近量变化最大，其移近量为1 245 mm，剧烈影响区域为65 m。

b) 测点距工作面煤壁69 m顶底移近量变化基本稳定，56 m开始顶底移近量逐步增大呈上升趋势，测点距工作面煤壁4 m处两移近量变化最大，其移近量为548 mm，剧烈影响区域为51 m。

1306轨道顺槽3#测点的监测数据整理绘制成曲线如图8所示。

图8 3#测点巷道表面位移变化曲线

根据图8可以看出：

a) 测点距工作面煤壁82 m两帮移近量变化基本稳定，77 m两帮移近量逐步增大呈上升趋势，工作面煤壁处两帮移近量最大，其移进量为1 203 mm，剧烈影响区域为64 m。

b) 测点距工作面煤壁82 m顶底移近量变化基本稳定，77 m顶底移近量逐步增大呈上升趋势，工作面煤壁处两移近量最大，其移近量为616 mm，剧烈影响区域为64 m。

综上可知：

a) 轨道顺槽超前影响范围在距工作面煤壁64 m～74 m；剧烈影响范围在距工作面煤壁50 m、64 m。

b) 由围岩变形量数值看，轨顺两帮变形量要大于顶底板的变形量，两帮变形量约为顶底板变形量的1.6倍～3.2倍。

4 研究结果的技术经济分析

针对综放沿空巷道大变形的特点，着眼于巷道的实际支护效果，以现场数据为依托，全面系统地研究了综放沿空掘巷巷道围岩控制技术，对巷道围岩侧向应力场、沿空巷道稳定性原理、锚固系统等进行比较系统的研究，科学地提出了留设小煤柱沿空掘巷的新支护方案，现场巷道维护状况良好，取得了可观的经济效益与社会效益。

在采用长锚索加固实体煤帮之前，综放沿空巷道两帮变形极为剧烈，尤其是实体煤帮变形严重。实体煤帮变形最大甚至达到3 m，而煤柱帮喷层也已经严重破坏。严重变形的巷道断面严重缩小，已不能满足安全生产的要求。

按照之前设计的支护参数，对1306轨道顺槽试验采用了实体煤帮长锚索加固，发现该巷道围岩变形明显减小。支护效果证实了这种加固方法的作用，可以保证巷道在使用期间的稳定性，满足综放开采的要求。

由于采用科学、合理的支护方案，大大减小了返修巷道所带来的对生产的一系列影响，加快了掘进速度，保证了正常生产。此外，还节约了大量维护费用，减轻了工人劳动强度，提高了掘进效率和支护质量，有效提高了矿井的生产效率。

5 结论

根据综放侧向顶板结构和支承压力分布规律，结合沿空巷道实体煤帮控制设计，针对1306轨道顺槽进行了支护设计，得到了很好的效果。

1) 综放沿空巷道实体煤帮以高锚固力的长锚索加固为主，综合运用锚杆、金属网、钢带、长锚索、短锚索联合支护方式。

2) 现场结果显示，沿空巷道掘进期间表面位移随着距迎头距离的增大而增大，并且经过了急剧升高、缓慢升高和趋于稳定3个阶段，分别位于距迎头70 m以内、70 m～180 m和180 m之外，巷道顶板下沉59 mm～87 mm，底板臌起65 mm～174 mm，顶底板移近量为145 mm～233 mm，实体煤帮变形150 mm～287 mm，小煤柱帮变形125 mm～190 mm，两帮移近量最终为315 mm～445 mm；工作面回采期间巷道变形更加剧烈，顶底板移近量为548 mm～768 mm，两帮移近量为1 203 mm～1 245 mm。可以看出，综放沿空巷道变形后仍有较宽裕的工作空间，可以保证设备运输及工作人员安全。

3) 沿空顺槽掘进及工作面回采期间巷道围岩应力变化剧烈，巷道变形量较大，变形影响范围广。沿空顺槽两帮的位移大于顶底板的位移，实体煤帮的位移大于煤柱帮，顶板位移大于底板。

4) 无论在掘进还是回采期间，综放沿空巷道变形都得到了有效控制，锚杆、锚索及围岩等组成的承载结构使巷道保持了较高的稳定性，特别是两帮变形显著减小，由加固前的3 m以上减小到加固后的不足1.5 m，实现了巷道安全支护。