近距离上层采空区煤柱下方煤巷支护技术研究

王 向

（山西汾西香源煤业有限责任公司，山西 吕梁 030500）

1 工程概况

山西焦煤汾西矿业香源煤业1304 工作面四周3#煤层均为未采区，上部为1204、1206 工作面2#煤层采空区，上距2#煤层6.87～8.58 m。1304 工作面开采山西组3#煤层，煤层厚度0.8～1.5 m，含1～2层夹矸，平均厚度1.16 m，属可采的稳定薄煤层。工作面基本处于单斜构造区，位于王山岭向斜（Z1）北部，煤岩层走向大致166°，倾向大致256°，倾角1°～7°。据三维勘探及附近地质资料分析，本工作面地质构造中等，预计发育有小断层。工作面运输巷、材料巷沿3#煤层顶板布置，切眼布置在北侧，运输巷布置在东侧，工作面由北向南推进。

2 巷道支护现状及存在的问题

2.1 原支护方案

1304 工作面上部为2#煤层采空区，1304 材料巷布置在1206 工作面采空区下方，1304 运输巷布置在1204 与1206 采空区间区段煤柱正下方，煤柱宽度25 m。1304 运输巷掘进断面宽、高=5.4 m、3.5 m，原设计采用普通锚网索联合支护，具体支护：顶板采用高强锚网+W 钢护板+锚、索联合支护，顶板锚杆规格Ф20 mm×2300 mm、200 mm×460 mm×6.0 mm 的W 钢护板、150 mm×150 mm×10 mm 的冲压托盘、球形垫圈及减磨垫圈，配套2 支MSK2355 型锚固剂，间排距为700 mm×800 mm；顶板锚索采用Ф21.8 mm×7100 mm（1×19 股）钢绞线，配套使用三支MSK2355 树脂锚固剂，垂直顶板布置，顶板每间隔1600 mm 施工一根，每一排布置3 根。两帮锚杆规格Ф18 mm×2000 mm，间排距800 mm×800 mm。锚杆、锚索布置详情如图1。

图1 1304 运输巷原支护断面（mm）

2.2 矿压特征及支护问题

1304 运输巷属于近距离煤层煤柱下回采巷道，两帮煤体强度较低，巷道围岩受到上覆岩层煤柱集中载荷的影响，巷道开挖支护完成后，相邻锚杆之间出现大量的鼓包网兜现象，帮部内移较严重，多处相对移近量可达400～700 mm。顶板岩层裂隙较发育，主要表现为顶板整体下沉，局部出现锚杆、锚索破断失效问题，顶板岩层离层较严重。为研究1304 运输巷围岩内裂隙发育情况，在1304 运输巷里程75 m 处钻孔窥视，结果如图2。巷道浅部围岩破碎较严重，如图2（a）；根据围岩裂隙发育情况进行分段，围岩破坏情况如图2（b）。两帮围岩破碎深度约为0.5～0.7 m，轻微破碎的围岩发育深度1.1～1.3 m，顶板严重破碎围岩的发育深度为1.0～1.1 m，较破碎围岩的发育深度2.7～2.9 m，顶板岩层破碎较严重，破碎范围较大，已显著超出顶板锚杆有效支护范围，现有支护方案无法有效控制巷道的失稳破坏。

图2 钻孔窥视结果

3 巷道支护技术优化

3.1 保障锚索锚固力

预应力长锚索是将锚索尾部通过锚固剂锚固在巷道较深围岩内，端部安装托盘和锁头并施加预应力，使锚索的张拉力以外锚固端压力的方式作用在围岩上，起到平衡围岩应力的效果[1-2]。锚索具有长度较大的特点，可以对锚杆支护起到结构补偿作用，充分调动深部较稳定围岩的承载能力。根据现场调查结果发现，1304 运输巷两帮煤体强度低、较松散破碎，巷道帮部施工锚索时，锚索尾部锚固效果较差，无法施加设计所需的预应力，且常发生脱锚现象，急需改善锚索的锚固状况。据此设计管状卡扣装置来提升锚固效果，通过空心钢管切割、冲压而成，钢管长度约10 cm，内径22 mm，外径26 mm，切缝长度4～5 cm。空心钢管安装在距锚索底部0.5 m、1.0 m 处（锚固段），张角一端朝向锚索端部。锚索安装后，管状卡扣可有效提升锚索锚固性能，顶板锚索张拉力由原先的180 kN 提升至250 kN，帮锚索张拉力由原先的120 kN 提升至190 kN。

3.2 补强支护参数设计

结合巷道围岩地质条件及现有支护方案，设计采用长锚索对巷道进行补强支护。顶板锚索规格Φ21.8 mm×7100 mm，采用“3-4-3”布置，间排距1400 mm×800 mm；实体煤帮锚索规格Φ21.8 mm×5300 mm，采用“3-2-3”布置，间排距900 mm×800 mm；煤柱帮锚索规格Φ21.8 mm×3500 mm，采用“3-4-3”布置，间排距900 mm×800 mm。顶锚索预应力240 kN，帮锚索预应力160 kN。

为验证1304 运输巷补强支护方案的可行性，分析近距离采空区煤柱下巷道掘进期间围岩变形规律。以1304 运输巷掘巷为研究对象，采用以连续介质有限元数值模拟软件FLAC3D进行分析[3-4]，得到图3 所示结果。原支护条件下巷道围岩塑性区呈不对称分布，实体煤帮塑性破坏深度更大，顶板塑性破坏深度达到5.5 m，实体煤帮塑性破坏深度达到3.5 m，煤柱帮塑性破坏深度2.5 m，顶板最大下沉量352.8 mm，底板最大底鼓109.3 mm。围岩塑性破坏深度大、分布范围广，表面变形量大，围岩控制效果差。补强支护条件下，围岩塑性区基本呈左右对称分布，顶板岩层塑性破坏深度为3.5 m，帮部塑性破坏深度2.0 m，围岩塑性破坏深度显著减小，顶板最大下沉量144.3 mm，底板最大底鼓18.6 mm，巷道表面变形量明显减小，支护效果显著提高，表明设计的补强支护方案合理有效。

图3 数值模拟研究结果

4 1304 补强支护方案设计及应用

4.1 1304 运输巷补强支护方案

结合前文研究成果，设计采用长锚索进行1304运输巷的补强支护，新掘巷道同样采用该补强支护方案，详见图4。所有锚索均安装管状卡扣锚固力保障措施，顶板补强锚索布置在原支护未布置锚索的锚杆之间，顶板锚索均沿竖直方向布置，帮锚索布置在帮锚杆之间，均垂直巷帮沿水平方向布置。顶板锚索预应力≥240 kN，帮锚索预应力≥160 kN。锚索必须紧跟工作面，并保证锚索锚入稳定岩层内深度≥1.5 m，所有锚索必须紧贴岩面。

图4 1304 运输巷补强支护方案（mm）

4.2 支护效果分析

1304 运输巷采用优化支护掘巷期间进行综合矿压监测，如图5。巷道变形主要集中在距迎头40 m 范围内，顶底板最大移近量为154 mm，两帮最大移近量为128 mm，顶板离层主要集中发生在距离迎头100 m 范围内，浅部基点最大离层量为22 mm，深部基点最大离层量31 mm，滞后掘进工作面100 m 后围岩基本稳定，补强支护效果良好。

图5 现场矿压监测结果

5 结论

香源煤业1304 运输巷布置在上层采空区煤柱下方，现场调研及钻孔窥视研究表明，原有支护条件下掘巷期间，巷道表面变形量大，围岩破碎深度较大，支护方案无法有效控制围岩的失稳破坏。结合矿井生产地质条件设计锚索保障措施，采用长锚索进行补强支护，数值模拟研究论证补强支护方案的合理有效性，滞后掘进工作面100 m 后围岩基本稳定，补强支护效果良好。