泰业煤矿动压巷道围岩加固技术研究及应用

胡奇峰

（山西楼俊集团泰业煤业有限公司）

统计数据表明，至2025年，我国煤炭消费量在能源消费总量中的占比仍高达50%以上，可见未来一定时期内煤炭在我国能源消费中仍占主体地位［1］。就煤炭井工开采而言，回采巷道的顺利掘进和稳定性维护是确保工作面安全高效生产的必要条件之一［2］。沿空掘巷受邻近工作面与本工作面巷道掘进及回采所产生的动压影响，巷道围岩破碎、完整性较差、围岩变形较大，甚至出现冒顶和片帮等风险，严重威胁着工作面安全［3-5］。对此，武建山等［6］提出“锚注支护+帮底浇筑+底板锚索”联合支护方案，有效控制了南窑头矿回风巷的围岩变形。常青［7］采用“高强锚网索+喷浆”联合支护措施，解决了龙顶山煤业9#煤运输大巷受动压影响变形较大的难题。张文平［8］基于数值模拟结果，确定了王台煤矿153303 回风巷的最佳布置方式和区段煤柱宽度，并提出了“锚索支护+注浆加固”的支护方式，维护了巷道稳定性。由于泰业煤矿采掘接替紧张，在8301 工作面回采结束但围岩新的平衡状态尚未形成时，采用留窄煤柱沿空掘巷技术施工8302 回风顺槽。但回风顺槽支护时，未充分考虑上一工作面回采的动压影响，导致巷道网兜现象明显，局部出现掉顶，巷道围岩变形较大，给巷道正常施工和工作面安全生产造成较大威胁。基于上述研究成果，本研究对泰业煤矿8302 回风顺槽沿空掘巷围岩变形控制方案进行研究，以期为类似工程条件巷道施工提供一定的参考。

1 工程概况

泰业煤矿当前主采3#煤，煤层厚度为1.75～3.55 m，平均为2.65 m；煤层倾角为4°～6°，平均为5°；煤层埋深为438～636 m，平均为537 m。3#煤直接顶为厚10.83 m 的细粒砂岩，老顶为厚1.00 m 的细粒砂岩和厚7.79 m 的粉砂岩；直接底为厚4.95 m 的细粒砂岩，老底为厚2.85 m 的粗砂岩。8302 综采工作面位于3#煤八采区，北为保护煤柱，南邻东翼3 条大巷，西隔8 m 宽的区段煤柱与8301 工作面采空区相接，东为实体煤区。8302 综采工作面布置情况见图1。出于提高煤炭回采率和延长矿井服务年限的考虑，8302 工作面回风顺槽采用沿空掘巷技术进行施工。8302 回风顺槽为跟底掘进，矩形断面，尺寸为3.3 m×4.6 m（高×宽），设计长度为1 308 m。受8301 工作面回采和巷道掘进所产生的动压影响，8302 回风顺槽围岩破碎，巷道掘进初期局部区域掉顶达500 mm，巷道围岩变形量较大，控制难度较大。

2 原支护方案及存在的问题

2.1 原支护方案

8302 工作面回风顺槽沿空掘巷初期采用锚网（索）支护，支护参数主要根据8301 工作面回采巷道支护参数确定。原支护设计如图2所示，具体支护参数如下。

（1）顶板支护参数。顶锚杆采用φ20 mm×2 400 mm 的左旋螺纹钢锚杆，间排距为900 mm×1 000 mm，顶板左右两端锚杆距巷帮50 mm，所有锚杆均垂直于顶板布置。锚杆托盘规格为100 mm×100 mm，每根顶锚杆用MSK2340 树脂锚固剂2 支。菱形金属网由12#铁丝加工，规格为5 000 mm×1 200 mm（长×宽）。顶锚杆预紧力为80 kN。锚索为SKP22-1/1720-5400 高强度预应力钢绞线，采用“二O 二”的方式布置，间排距为2 000 mm×2 000 mm，锚索垂直顶板布置。锚索托盘规格为180 mm×180 mm，每根锚杆用MSK2340 树脂锚固剂4 支。锚索预紧力为120 kN。垂直于巷道中线布置长4 400 mm的钢带。

（2）巷帮支护参数。帮锚杆采用φ18 mm×2 000 mm 的左旋螺纹钢锚杆，间排距为900 mm×1 000 mm，顶、底角锚杆分别距巷道顶板和底板400 mm，与水平呈15°角布置，其余帮锚杆垂直巷帮布置，每根帮锚杆用MSK2340 树脂锚固剂2 支。帮锚杆预紧力为60 kN。

2.2 巷道矿压显现特征

8302工作面回风顺槽沿用了8301工作面支护方案，受8301工作面采动影响，8302回风顺槽在掘进过程中矿压显现强烈。掘进后10 d 内，巷道顶板下沉量和两帮移近量分别达到316.22 和562.51 mm，且呈现出明显的非对称变形，煤柱侧巷道变形程度较实体煤侧更为显著，巷道顶板破碎，网兜现象明显，局部发生掉顶现象，部分区段需假设π型钢梁补打锚索进行补强支护。巷道围岩破碎，裂隙较为发育，顶板离层量最大达到175 mm。部分区段锚杆螺母与杆体松动脱落，防冲扎丝失效等。

2.3 巷道围岩变形分析

基于8302 回风顺槽现场观测结果，并结合类似工程地质条件工作面矿压显现情况分析可知，由于泰业煤矿采掘接替紧张，8302 回风顺槽在8302 工作面回采结束4 个月后开始掘进施工，此时8302 工作面采空区顶板围岩发生破断、回转下沉，原来应力平衡状态被打破，新的应力平衡尚未形成。且在8302 回风顺槽掘进产生的扰动影响下，靠近煤柱侧巷道顶板和巷帮围岩裂隙进一步发育，破碎程度进一步增加，原支护方案难以有效控制沿空巷道围岩变形，矿压显现强烈［6-8］。原支护方案在使用过程中存在锚杆、锚索预紧力和长度不能满足实际需求等问题。

3 巷道围岩支护机理及加强支护方案设计

3.1 巷道围岩支护机理

受相邻工作面采动影响，沿空巷道一定深度范围内围岩裂隙发育、破碎程度增大，锚杆（索）支护悬吊作用下可有效增强巷道围岩整体性，进而提高围岩的承载能力［3］。锚杆（索）的长度和角度决定了其是否能将破碎围岩有效地锚固在完整岩体上，因而通过增加锚杆（索）的长度和改变其布置角度，可实现提高锚杆（索）支护效果的作用［5］。此外，研究表明，缩小锚杆（索）间距，即增加锚杆（索）的布置密度，可显著提高锚杆（索）支护强度，提高锚杆（索）预紧力可有效阻止巷道围岩中裂隙的发育和扩展，提高巷道围岩承载能力，并实现巷道围岩的高阻让压，进而维护巷道围岩稳定［7-8］。

3.2 加强支护方案设计

基于巷道围岩控制机理，针对8302 回风顺槽采用原支护方案时存在的锚杆、锚索预紧力和长度不能满足实际需求的现状，将锚索长度由原来的5 400 mm 增大至7 000 mm，间排距由原来的2 000 mm×2 000 mm 缩小为1 800 mm×2 000 mm，顶锚杆和锚索预紧力分别由原来的80 kN 和120 kN 增大至120 kN 和150 kN；将帮锚杆由原来φ18 mm×2 000 mm 改为φ18 mm×2 400 mm 的左旋螺纹钢锚杆，同时将帮锚杆预紧力由原来的60 kN 增大至100 kN，以增强支护体系对围岩的夹持和悬吊作用。加强支护设计如图3所示。

4 工业性试验

为了判断加强支护方案的合理性及对巷道围岩变形的控制效果，在8302 回风顺槽进行现场试验。在试验段每隔50 m 布置一个巷道表面位移测站，共布置2 个测站，每2 d 对巷道表面位移数据测读一次并记录，对采用加强支护方案后30 d 内的巷道表面位移情况进行监测，监测结果如图4所示。

由图4 可知，在8302 回风顺槽掘进期间，前16 d时巷道顶底板和两帮移近量呈逐渐增大趋势，该时期内巷道顶底板和两帮移近量最大值分别为50.72和115.19 mm。在16 d 以后，巷道围岩变形基本趋于稳定，30 d内巷道顶底板和两帮累计移近量分别稳定在52.70 和116.51 mm。由此可见，加强支护方案对8302 回风顺槽围岩变形控制效果显著，为巷道正常使用和8302工作面安全高效回采提供了保障。

5 结语

（1）对泰业煤矿8302 回风顺槽原支护方案难以有效控制巷道围岩变形原因进行分析，提出增大锚杆、锚索预紧力，锚索和帮锚杆长度及缩小锚索间距的加强支护方案。

（2）现场试验结果表明，采用加强支护方案，巷道顶底板和两帮累计移近量分别稳定在52.70 和116.51 mm，围岩变形控制效果显著，为巷道正常使用和工作面安全高效回采提供了保障。