沿空掘巷让压锚杆支护技术研究与应用

尹英文 马丽妲 王晓菡

（山东鼎安检测技术有限公司，山东 济南 250032）

随着开采地质条件越来越复杂，原有的锚杆支护系统难以保证安全生产，尤其是深井巷道支护问题日益严重。郭屯煤矿在四采区进行沿空掘巷，如何确定留设煤柱宽度尺寸和巷道支护参数是沿空掘巷成功的关键。

1 概况

郭屯煤矿主采3煤层，在四采区实施沿空掘巷，四采区煤层平均厚度为2m。伪顶为砂质泥岩，厚度0～1.6m；直接顶为中砂岩，平均厚度6m；直接底为砂质泥岩，平均厚度1.8m，埋深800m以上。四采区沿空掘巷顺槽有2m厚岩性较差的砂质泥岩，支护困难，沿空掘巷成型后在采空区侧的煤帮变形大。

2 沿空掘巷围岩变形机理

（1）围岩变形特征

沿空掘巷是沿采空区侧煤体留设窄煤柱或者不留煤柱的情况下进行巷道掘进，由于其特殊的工作条件，在掘进初期巷道无支护，围岩垮落较快，使用锚杆对围岩进行支护也不能控制围岩变形速度和变形量。

围岩变形主要是以底鼓为主的顶底板移近和两帮移动。在距离帮壁3m左右甚至更大范围内，围岩会发生明显的位移。若支护不合理，当变形程度超过支护结构承受强度时，支护就会失效，巷道失稳变形。

围岩变形受应力影响较大，若主应力为垂直于巷道轴线方向的构造应力，则围岩变形量大；若主应力为平行于巷道轴线方向的构造应力，则围岩变形量小。围岩变形受环境变化和应力扰动的影响较大。

（2）巷道失稳的力学机理

掘进前，围岩处于应力平衡状态，开始掘进后，应力状态就会由三维改为二维状态，当周边应力强度高于围岩的承压强度时，围岩就会破坏，主应力最大值向上部岩层内部转移，应力场重新分布，此时，若保证巷道围岩不失稳应进行巷道支护，若不支护，可能会诱发围岩失稳。

① 松动压力作用。松动压力是地质和围岩结构下形成的，多出现在巷道顶部和两帮，主要原因是在巷道掘进后，围岩应力重新分布，受到重力作用，若支护强度不够就会出现冒落和片帮。

② 形变压力作用。巷道掘进后会出现二次应力，受到该应力的影响，围岩会出现非弹性和粘弹性的变形，形变力的形成是受重力影响形成应力集中，部分围岩出现塑性或流变状态，当岩层的强度很高，无支护的塑性区会扩大，在到达一定数值后不再变化，在随行区域的边缘形成高切向力的承载环。

本文与其他同频段文献的相位噪声对比，如表2所示。本文设计的频率源的相位噪声实测值可达-87.1 dBc/Hz@1 kHz，比文献[11]中的车载防撞雷达频率源的相位噪声改善了24 dB，比文献[12]中的24 GHz调频连续波雷达频率源的相位噪声改善了21 dB。

图1 巷道围岩变形与支护特征曲线图

图1为围岩变形与支护特征曲线图。当围岩的变形量大于围岩自身允许变形的最大值时，围岩就会破坏至垮落，形成的松散压力附着在支护结构上，支护结构的承载能力就会增加。将支护结构设置在支护抗力最小的K点，围岩最稳定，同时也能有效限制不利变形的扩展。

（3）留设煤柱宽度的确定

图2 力学模型

图2 （1）为窄煤柱力学模型，根据经验煤柱α一般为4.5～5m，巷道布置在煤柱的弹性区，因此留设的煤柱起到隔离采空区和沿空掘巷空间的作用，不受负载。

图3（2）为宽煤柱力学模型，当沿空掘巷留设宽煤柱时，煤柱向内部依次表现为片帮、围岩塑性变形、应力增大的弹性区。片帮区无法承受垂直应力但能传递水平应力，松弛区承载的载荷小于原始应力，塑性区承受的应力高于原始应力。

因此沿空掘巷时巷道位置围岩条件的影响，充分考虑煤体的弹性区、塑性区和煤体应力的影响，沿空掘进的顺槽布置在留设4.5～5m的窄煤柱的松弛区范围内。

3 巷道支护设计

（1）平衡支护技术

根据岩层结构和受力情况，在预应力支护和高强度锚杆基础上提出的巷道支护技术。其原理是使支护结构与岩体共同形成一个承载体应对巷道的应力与围岩变形，使巷道围岩保持稳定。因此，在实施平衡支护技术时，选择的支护锚杆具备足够强度，支护完成后能够“让压”，在岩体释放能量时允许产生一定的变形，保持巷道围岩应力平衡。

为达到让压支护的目的，锚杆强度应能满足额定预应力强度要求，利用让压锚杆为巷道岩体的变形提供空间，缓冲支护初期的预应力。在让压变形后，支护体系与围岩形成整体维持巷道的稳定性。

（2）支护参数设计

巷道采用矩形断面，宽4.5m，高3.6m。其支护断面图见图3，支护参数为：

顶板支护：高强预应力让压锚杆Ф20×2400mm，预应力≥5t，扭矩≥240N·m，支护间排距1000×1000mm，安装时采用阻尼螺母和冲压球形托盘；锚索：Ф21.6×6000mm，预应力≥6～8t，间排距1500×2000mm。

帮支护：高强预应力让压锚杆Ф20×2000mm，预应力≥5t，扭矩≥240N·m，支护间排距1000mm×1000mm，安装时采用阻尼螺母和冲压球形托盘。

金属网：Ф6100×1000mm圆钢焊接网。

钢筋梯：钢筋梯采用Ф8mm的圆钢焊接而成。

图3 巷道支护设计图

4 沿空掘巷顺槽观测及结果分析

（1）观测方案

在巷道内设立观测站，每个观测站内对巷道顶底板及两帮位移进行观测。

① 锚杆锚索应力计。采用锚杆应力计观测锚杆锚索受力情况，每个观测站将锚杆应力计布置在锚杆排的中间位置。

② 巷道表面位移观测。采用十字布点法对巷道表面位移进行观测，首先在顶底板中心线垂直方向和两帮的水平中心线布置钻孔，放入木桩进行测点标记，进行观测。

（2）200#观测数据及分析

表1 200#断面变形观测数据表

由表1中顶板锚索测点数据看出，锚索安装预应力为11.27t，观测期间最大应力为30MPa，即为14.7t，锚索增阻速度：0.343t/d。

由表1中顶板左旋的让压锚杆测点数据看出，顶板左旋的锚杆初始安装应力为8.5MPa，即4.165t，锚杆的增阻速度：0.1715 t/d。

由表1中顶板右旋的预应力锚杆测点数据看出，顶板右旋的锚杆初始安装应力为11MPa，即3.59t，锚杆的增阻速度：0.196 t/d。

根据观测数据得出200#的断面顶板锚索和顶板左右旋的增阻曲线见图4。

图4 观测断面锚杆左右旋及锚索增阻曲线

从图4可以看出，锚索、锚杆的增速速度逐渐趋于稳定，现有的顶板支护体系能够满足顶板支护的要求。

根据观测数据得出200#断面变形量见图5。

由图5分析得出，观测10d顶板下沉速度：11mm/d，观测42d的顶板下沉速度：4.1mm/d，顶板还未进入稳定期。观测10d两帮移近速度：13mm/d，观测42d的两帮移近速度：4.7mm/d，两帮移近量较大，现有的支护方式不能够有效控制两帮。

图5 200#观测断面变形量

5 结论

通过留设4.5～5m窄煤柱，在松动区范围内进行沿空掘巷导致重新分布应力小于原始地应力，能够减少煤炭损失。

通过实施锚索和让压锚杆支护体系，确定郭屯煤矿沿空掘巷方案，有效地控制巷道围岩变形，实现了沿空掘巷的围岩稳定。