孤岛工作动压影响巷道围岩支护技术研究

刘永辉

（山西焦煤汾西矿业（集团）有限责任公司贺西煤矿，山西 柳林 033300）

0 引言

孤岛工作面在回采期间受到邻近采空区侧向应力叠加影响，面临覆岩应力分布复杂、采面顶板下沉量大及回采巷道围岩变形严重等问题，实现回采巷道围岩变形有效控制是孤岛工作面安全回采的基础[1-4]。众多学者及技术人员采用数值模拟、现场测试等技术手段对孤岛工作面矿压显现、覆岩变形规律进行研究，并提出用高预应力强力锚杆（索）、围岩注浆、强化巷帮支护、架棚等技术来控制巷道围岩变形[5-6]。山西某矿31310 工作面是3 采区最后一个回采工作面，采面东西两侧均为采空区，属于典型的孤岛工作面。31310 工作面回采巷道在动压影响下出现锚杆、锚索失效问题，围岩变形较为严重，为此，文中结合31310工作面回采巷道现场情况提出围岩支护技术，以期有效解决孤岛工作面回采巷道围岩变形严重问题，为采面煤炭安全、高效回采奠定良好条件。

1 工程概况

31310 工作面为孤岛工作面，回采的13 号煤层埋深为630 m，煤层厚度为5.2 m、倾角为3°～5°。13 号煤层直接顶为泥岩，厚度为2.12 m，炭质泥岩互层，岩层强度较低、裂隙及层理发育；基本顶为砂质泥岩，厚度为8.89 m，岩层完整性较好，层理不发育。31310 工作面采用综采工艺，设计采高为3.4 m，采面设计推进长度为2 600 m、斜长为158 m，两侧分别为已回采完毕的31308、31312 采空区，31310 回风巷采用沿空掘巷掘进，矩形断面（巷宽为5.0 m、巷高为3.4 m）并与邻近的31312 采空区留设15 m 保护煤柱，具体采面位置如图1 所示。

图1 采面位置示意图

2 回风巷围岩变形特征分析

2.1 支护体系失效情况

对回风巷围岩变形及锚杆（索）失效等情况进行监测统计发现：巷道顶底板、巷帮最大变形量分别为970 mm、780 mm，围岩变形量整体较大；回风巷巷帮破断锚杆数量较多，占锚杆破断数量的45%，巷帮变形严重、岩体失稳会进一步影响顶板岩体稳定性；顶板锚索失效较多，占锚索失效数量的62%。

2.2 巷道变形较大原因分析

结合31310 工作面现场情况及采面开采条件，可以判定导致回风巷围岩变形量大、部分锚杆（索）失效的原因。

1）围岩应力集中。31310 工作面为孤岛工作面，回风巷在掘进期间会受到临近采空区侧向应力影响，加之本采面超前支承压力影响，导致巷道顶板及巷帮煤岩体重应力集中，煤岩体破坏范围增大。现场实测发现顶板岩层破坏深度达到4 m 以上，当锚杆（索）锚固范围内岩体变形量超过本身最大变形量时，锚杆（索）就容易出现破断、失效等问题。

2）围岩强度较低。31310 回风巷顶板岩层以泥岩、砂质泥岩为主，岩体强度较低、松散且破碎；巷帮为13 号煤层，当巷帮变形量较大时，巷帮支护用锚杆与煤体一起出现内移。巷帮收敛量较大，会进一步增大顶板下沉量，导致顶板出现弯曲、离层及局部金属网网兜，导致部分锚杆（索）失效。

3）动压影响。31310 回风巷临近的31312 采空区回采结束且覆岩未完全稳定时，31310 回风巷即开始掘进，加之留设的煤柱宽度较小，导致31310 回风巷受动压影响明显，使得支护用锚杆（索）破断、失效。

4）原支护不合理。31310 回风巷原支护条件下巷帮支护强度偏低，采用的支护材料未能有效控制巷帮变形，同时锚杆（索）支护初期锚固力未能达到设计要求，但随着巷道围岩破坏范围增加，导致锚杆锚固力明显下降，回风巷巷帮煤体破坏深度较大，在后续围岩支护时应强化巷帮煤体变形控制。

3 回风巷围岩支护技术

经过上述分析得出，在31310 回风巷围岩变形控制时，应强化巷帮煤体变形控制，通过减少巷帮变形量来降低对顶板的影响，具体通过普锚杆（索）+注浆方式强化巷帮支护。由于锚杆螺纹较为薄弱，容易在螺纹处破断，因此改进锚杆构件及预紧方式，使用张拉式预紧，增加锚杆（锁）底部钢托盘钢板厚度，达到提高托盘刚度及强度目的；适当增大帮锚杆加固范围，避免巷帮深部煤体出现破坏；护表用的金属网改为双层经纬网，充分发挥双层经纬网强度高优点，提高护表强度，确保巷道表面平整。具体31310 回风巷支护断面如图2 所示。

图2 回风巷支护示意图（单位：mm）

1）顶板支护。31310 回风巷顶板采用Φ22 mm×2 400 mm 锚杆，锚杆材质为BHRB500 螺纹钢，使用树脂锚固剂提高锚固长度，并通过锚杆专用张拉设备提高预紧力，使得锚杆上施加的预紧力达到180 kN；锚杆配合金属网及W 钢带提高护顶强度。顶板支护用锚索规格为Φ22 mm×6 300 mm 的钢绞线，配合使用的调心托盘规格为300 mm×300 mm×14 mm，锚索沿着巷道轴线按照3-3 方式布置，每排布置3 根，其中一根位于巷道中部，另外两根与巷帮间距均为1 000 mm，锚索间间距均为1 500 mm，预先施加250 kN以上的预紧力。

2）巷帮支护。巷帮采用与顶板相同规格的锚杆支护，同时采用规格为3 300 mm×1 200 mm 的双层经纬网提高护表强度，网孔大小为40 mm×40 mm，网片间搭接宽度为100 mm。

3）巷帮注浆。为提高巷帮煤体承载能力、降低巷帮变形量，在滞后掘进迎头100 m 以内对巷帮进行表面喷浆，并采用注浆锚杆进行滞后注浆。注浆通过注浆管与锚杆头直接连接来实现全长注浆，注浆材料选用超细水泥。巷帮注浆孔孔径均为32 mm，使用的注浆锚杆锚固长度为1 220 mm，使得锚固力在150 kN以上，注浆锚杆材质为BHRB500 钢材，沿着巷帮按照2-1-2 方式布置，通过黄泥、树脂锚固剂等加长锚固，具体采用1 支型号2330 黄泥锚固剂+2 支规格分别为MSCKb2335、MSZ2360 树脂锚固剂锚固。在巷帮完成注浆7 d 后补打锚索，使得巷帮应力集中峰值向深部转移并提高巷帮浅部煤体变形量。

4 现场应用效果分析

在31310 回风巷采用上文所述支护技术方案后，布置测点对支护段围岩变形量进行监测，具体结果如图3 所示。同时采用钻孔窥视技术监测回风巷围岩状态，具体结果如图4 所示，其中位置1、位置2 分别为回风巷里程380 m、750 m 处。

图3 围岩变形监测结果

图4 钻孔窥视成果图

依据现场监测结果得出，采用的支护方案在降低回风巷围岩变形量、提高围岩完整性及改善锚杆受力状态等方面表现出显著优势。

1）减少围岩变形量。回风巷在原支护下，采面在回采期间回风巷顶底板、巷帮变形严重，其中顶板累积变形量可达到690 mm、底鼓量可达到280 mm，巷帮围岩量可达到780 mm；围岩严重变形影响回风巷使用，进而影响采面推进效率，回风巷采用改进支护方案后，巷道顶底板累积变形量为630 mm（其中顶板为360 mm、底板为270 mm）、巷帮变形累积为215 mm，回风巷围岩变形量在允许范围内。

2）提高围岩完整性。从围岩钻孔窥视结果看出，改进支护后回风巷围岩整体完整性得到明显改善，巷帮强度及承载能力进一步增强顶板支护效果，增大竖向承载能力，减少顶板塑性区扩展。

3）改善锚杆受力。对回风巷原支护方式及改进支护方式下巷帮锚杆进行拉拔测试，改进支护后锚杆拉拔力峰值达到230 kN，接近锚杆杆体的最大屈服载荷，而原支护方案下锚杆拉拔力峰值仅为94.3 kN。由于改进后的回风巷支护方案通过注浆提高帮煤岩体强度及承载能力，提高锚杆围岩控制效果。

4）提高采面生产效率。回风巷在原支护方案下，由于巷道变形严重，需耗时大量时间及人力修整巷道断面，采面每天割2 刀煤，月进尺80 m，采用改进后的支护方案，回风巷围岩变形量较小，巷道使用期间基本不需要修整，采面每天割3～4 刀煤，月进尺在120～160 m，生产效率提升约50%～100%。

5 结论

1）31310 工作面回风巷面原支护用锚杆、锚索存在部分失效问题，且围岩变形量大。根据现场情况对回风巷变形量大及支护体系失效原因进行分析发现，主要原因体现为围岩应力集中、承载能力偏低、原支护不合理及动压影响等。

2）依据31310 回风巷围岩变形特征、围岩应力分布及现场地质条件，提出通过强帮护顶方式控制围岩变形，支护措施为锚索补强支护+巷帮注浆，并给出支护方案。现场应用后，改进后的支护方案可有效减少31310 回风巷围岩变形量、提高围岩整体稳定性及强度，有助于维持动压影响巷道围岩的稳定性。