综放开采沿空巷道围岩变形支护技术的研究

许 峰

（山西汾西矿业集团孝义煤矿管理分公司，山西 孝义 032300）

引言

如今厚煤层占已探明煤炭资源储量的45%左右，厚煤层普遍采用综放开采方式[1-2]。为了提高煤炭采收率，部分矿井放弃传统的宽煤柱护巷方式改为窄煤柱沿空留巷[3]。但是采用此种沿空留巷时受到巷道断面大、煤柱宽度窄以及采动动压显现明显等因素影响，巷道围岩变形控制难度较大，采用传统的巷道支护方式难以满足巷道围岩控制需要[4-6]。为此，文中以山西某矿31507 沿空留巷（回风巷）巷道为工程背景，对采取的巷道支护技术进行探讨，以期能为其他矿井类似情况下巷道支护提供参考。

1 工程概况

31507 工作面回采的15 号煤厚度6.8 m、倾角3.9°，采用综放开采工艺，采放比为1∶1.8。31507采面设计走向、倾向长度分别为1 680 m、265m。为了提高煤炭回收率，提出将31507 回风巷与邻近31505 采空区间保留8 m 宽护巷煤柱，31507 回风巷断面为矩形（净高、净宽分别为5.4 m、3.5 m），沿着15 号煤层底板掘进。

现阶段31507 回风巷已掘进405 m，支护方式为：顶板6 根锚杆（Φ18 mm×2 000 mm）、2 根锚索（Φ17.8 mm×8 400 mm），巷帮布置3 根锚杆（Φ18 mm×2 000 mm）并在窄煤柱帮增加布置2 根锚索（规格为Φ17.8 mm×6 300 mm）以提高煤柱抗变形能力。

但是在巷道已掘进范围内巷道呈现较大的变形，具体表现为顶板破碎、下沉以及巷帮收敛，底板未有明显底鼓发生。具体在巷道已掘进的350 m 位置巷帮变形现场图见图1。

图1 350 m 位置巷帮变形现场图

2 沿空留巷围岩变形特点分析

2.1 沿空留巷围岩松动圈范围测试

围岩松动圈具体指巷道围岩形成的破碎带，松动圈是评价巷道围岩稳定性的主要指标。采用现场实测法对31507 回风巷围岩松动圈分布范围进行测试，在已掘进巷道内每隔100 m 布置测站测定松动圈范围，具体测点布置见图2。现场测定的松动圈分布范围见下页表1。

表1 松动圈范围

图2 围岩松动圈测站布置图

从表1 看出，31507 回风巷在原有的巷道支护参数下顶板、巷帮松动圈最大发育范围分别达到2.9 m、2.5 m。31507 回风巷顶板高度约为2.9 m，顶板松动圈范围已经发育到煤层顶板。同时在窄煤柱帮松动圈分布范围明显高于实体煤帮。通过巷道围岩变形以及松动圈测试表明，31507 回风巷原采用的支护技术难以满足留巷段围岩控制需要。

2.2 巷道围岩变形特点

通过对留巷段围岩变形分析发现，留巷段围岩变形主要集中在窄煤柱帮及靠近窄煤柱板顶板位置，具体围岩变形有下述特点[7]：

1）31507 回风巷顶板为砂质泥岩。当回风巷顶板支护强度不足或者受到动压影响时，顶板岩层容易出现严重变形。

2）巷道开挖后导致围岩应力重新分布，作用到顶板上的垂向应力向巷道巷帮位置转移，加之邻近采空区侧向应力影响，导致巷帮出现一定程度应力集中的现象。其中窄煤柱留设宽度仅为8.0 m，煤柱本身承载能力较小，在较高应力作用下更容易出现变形破坏。

3）31507 回风巷净宽、净高分别为5 400 mm、3 600 mm，巷道跨度较大，顶板拉应力较高，加之巷道顶板岩体强度本身较低，导致顶板在应力作用下更容易出现离层变形。

3 沿空留巷巷道支护优化

3.1 支护参数设计

针对31507 回风巷已掘进段围岩变形特征，为了确保巷道掘进期间围岩稳定，在巷道后续掘进时对围岩支护参数进行针对性优化，通过优化顶板锚索以及巷帮锚杆布置来实现对留巷段围岩变形控制目的，具体优化后的巷道支护设计见图3。

图3 优化后的巷道支护设计图（未标注单位：mm）

1）实体煤帮。根据留巷段围岩松动圈测试结果显著，实体煤帮最大松动圈分布范围达到2.5 m，而巷道巷帮原采用的锚杆长度仅为2 000 mm，锚杆长度在松动范围内，无法起到有效减少巷帮收敛的目的。为此，将实体煤帮锚杆规格由Φ18 mm×2 000 mm 改为Φ20 mm×2 600 mm，通过增加锚杆长度来提高围岩控制效果。同时将实体煤帮锚杆数量由3根增加至4 根，间排距优化为900 mm×900 mm，同时靠近顶板以及巷帮的锚杆均外插15°角。保持锚索原有的支护参数不变

2）窄煤柱帮。将窄煤柱锚杆由Φ18 mm×2 000 mm 改为Φ20 mm×2 400 mm，同时靠近顶板以及巷帮的锚杆均外插15°角。锚杆数量由3 根改为4根。

3）顶板支护。顶板锚索由原支护的2 根改为3根，选用的锚索规格保持不变。锚索在靠近巷帮200 mm 位置以及顶板中部各布置一根，靠近巷板锚索有15°外插角。顶板锚杆数量以及间排距保持不变，将靠近巷帮的2 根锚杆由原有的垂直顶板布置改外外插15°角。顶板锚杆、锚索均采用钢筋梯子梁进行连接。

3.2 围岩支护效果分析

对支护参数优化后的巷道围岩变形进行测定，具体结果见图4 所示。从图中看出，巷道掘进完成80 d 后围岩变形量基本区域稳定，此时顶板、实体煤帮以及窄煤柱帮变形量分别控制在32 mm、41 mm、66 mm，围岩变形量整体较小。

图4 巷道变形测定结果

4 结论

1）31507 回风巷为沿空巷道，受到巷道掘进断面大、围岩承载能力差以及支护参数设计不合理等因素影响，导致巷道围岩出现较大变形。为此，提出以强化帮角位置岩体变形为核心的围岩支护优化方案。

2）对31507 沿空巷道围岩支护参数进行优化设计，应用后窄煤柱、实体煤柱最大收变形量分别控制在41 mm、66 mm 以内，顶板下沉量控制在32 mm 以内，有效对沿空巷道围岩变形进行控制，取得了较为显著应用效果。