邻近工作面开采影响下巷道稳定性及支护
摘要：为解决团柏煤矿11-1502巷道受邻近工作面开采影响造成支护困难的技术难题，确保巷道的使用安
全，分析了巷道围岩因邻近工作面开采所呈现的应力应变特征，提出了适于煤层地质及开采技术条件的动压巷道支护方案。结果显示，巷道煤柱帮侧围岩应力以压应力为主、围岩变形量大，指出采用短锚固高强度顶锚杆、大锚固密度和垂直顶板角锚的方式可充分发挥锚杆预应力作用，提升锚固强度。同时，配合高预应力短锚索支护可起到有效补强的作用。经比较，设计方案节约支护成本7.1%，取得了显著的社会和经济效益。
关键词：采动影响；巷道；支护参数
0 引言
回采巷道受采动影响明显，其支护设计作为巷道锚杆联合支护中的一项关键环节，对充分体现锚杆支护的优越性及保障巷道的安全具有特别重要之意义[1]。倘若支护形式与参数选择不合适便会形成两个极端：一是支护强度过高，不仅浪费支护耗材，而且影响开掘进度[2]；二是支护强度不足，不能有效限制围岩变形，致使巷道既有支护破坏，巷道维修工程量大，乃至出现冒顶片帮事故[3]。鉴于此，本文针对团柏煤矿11-1052巷受采动影响支护参数难以确定的现状，在分析巷道围岩应力应变基础上，基于邻近巷道矿压数据与积累的设计经验，提出初始设计，以期为霍州矿区动压巷道锚杆支护提供技术参考。
1 工程概况
团柏煤矿11-105工作面所在的11号煤层平均厚度为3.3米。1052巷预计沿11号煤层顶板掘进，0.5米厚泥岩伪顶不予保留，伪顶之上依次是平均厚度4.2米的细砂岩和平均厚度2.3米的粉砂岩。11号煤层比较完整，裂隙节理不发育，掘进时巷道易成型，但顶板上方有10号煤采空区积水，应随时判断顶板水害的发生几率，必要时采取放水措施，以杜绝水害发生。11号煤层自燃发火期为65天，自然倾向性等级为Ⅱ类，属自燃煤层。煤尘具有爆炸性。
为便于系统巷道的重复使用，11-1052巷与10-1171巷重叠布置，离上覆10号煤采空区10-1192巷保安煤柱12.5米。11-105工作面开切眼长为140米，其与邻近巷道的位置关系见图1。目前要在11-1041巷旁边开掘11-1052巷，掘进期间11-104工作面开始回采，故11-1052巷将要面临和11-104工作面对穿时出现的支护困难。因此，需要根据该巷的具体地质开采条件进行有针对性的支护设计，以保证其使用的安全性。
10-1091150m10-107110-109212m10-1072130m10-105111-1051140m11-105229m11-1041140m11-1042 图1 11-105工作面巷道布置剖面图
2 11-1052巷道稳定性分析
通过数值模拟分析11-1052巷围岩的稳定性，围岩应力分布及位移分布分别见图2和图3。
1
a.水平应力 b.垂直应力
图2 11-1052巷围岩应力分布
a.水平位移 b.垂直位移
c.总位移
图3 11-1052巷围岩位移分布
由图2知，当受到邻近11-104工作面回采影响时，水平应力在11-1052巷煤柱帮侧顶、底角处达到10-20MPa，但在整个巷帮处分布相对小些，为0-10MPa，在顶板上为20-30MPa，表明巷顶板容易出现水平错动，应采用高抗剪强度的锚杆进行支护。垂直应力在围岩表面为0-5MPa，顶、底角处为5-15MPa，而在煤柱侧帮深部则达到35-40MPa。
图3显示，巷道煤柱帮侧围岩变形严重，顶角处垂直位移和水平位移分别达到100-150mm和150-200mm，巷帮处垂直位移和水平位移分别达到50-100mm和250-330mm。显然，应重点预防顶角冒落和煤柱帮片帮。11-1052巷掘进时将和11-104回采面对穿，巷道对穿前系沿空留巷，对穿后变为沿空掘巷，虽然1052巷与104回采面之间留设煤柱，但由于回采影响煤柱帮变形较大，另外，因直接顶岩性较弱，顶板下沉量也不容忽视，因此建议加长回采时超前支护的距离，并改善基础支护的强度，提升煤柱帮的稳定性。
3 11-1052巷道支护设计
3.1 巷道支护参数选取
依据分析的巷道受力变形状态和既有设计经验，着重以下支护参数的选取：
(1) 锚杆长度。随着锚杆长度的增加，锚杆全长中上部分和两锚杆之间中部围岩的压应力会相应减小，使锚杆预应力作用降低、主动支护性减弱。因此，为提高顶板锚杆预应力，决定适当减小锚杆长度。
(2) 锚杆间排距。当锚杆间排距缩小到一定程度后，会使单根锚杆形成的锥形压应力区过度叠加，阻碍锚杆预应力的扩散，从而降低锚杆预应力作用。所以，设计时将考虑通过增加锚杆间排距来提升锚杆预应力。
(3) 锚杆角度。随着顶板角锚角度的增加，角锚杆和中部锚杆各自的压应力区逐渐分离，叠加区域越来越小，顶板支护的整体性减弱。可见小角度角锚是有宜的，故此次设计拟将角锚杆沿顶板法线布置。
(4) 钢带强度。钢带实现了锚杆预应力的有效扩散，显著提高了对锚杆之间围岩的支护作用。因此，决定采用高强度钢带改善支护系统的整体支护效果。
2
(5) 锚索长度。与锚杆类似，随着锚索长度增加，两锚索之间中部围岩的压应力逐渐减小，表明锚索对其间围岩的补强作用不断减弱。现场实践也表明，高预应力的短锚索支护效果比低预应力的长锚索支护效果好[4-5]。所以，高强短锚索定为本次设计首选。 3.2 巷道支护方案
综合以上分析，提出11-1052巷道支护方案，见表1。支护断面图，见图4。
表1 11-1052巷道支护方案
支护参数
直径 长度 间距 排距 角度
锚杆
预紧扭矩 材质 锚固方式 锚固长度 锚固材料 类型
锚杆
规格
托盘
配件
钢护板
规格 类型
金属网
网孔规格 网片规格 直径 长度 间距 排距
锚索
材质 预紧力 锚固方式 锚固长度 锚固材料 类型
锚索
规格
托盘
配件
调心球垫
调心球垫
300×300×14
300×300×14
调心球垫+减摩垫圈 W450×280×4 10#铁丝菱形 50×50 4700×1000
21.6 5300 1600/1500 1800
1?7股高强度钢绞线
200-250kN 树脂加长锚固
2000
1根KC2340 2根Z2360
拱型高强
调心球垫+减摩垫圈 W450×280×4 10#铁丝菱形 50×50 2700×1000
21.6 4300 每排1根 1800
1?7股高强度钢绞线
200-250kN 树脂加长锚固
2000
1根KC2340 2根Z2360
拱型高强
150×150×8
150×150×8
不低于350N?m 左旋无纵筋螺纹钢筋 树脂加长锚固
1270
KC2340,Z2360各1根
拱型高强
不低于350N?m 左旋无纵筋螺纹钢筋
树脂端部锚固
780 1根Z2360 拱型高强
顶板 22 2000 750 900 沿顶板法线方向
巷帮 22 2500 1000 900 垂直巷帮
通过成本核算，11-1052巷每米支护材料费用为2080.99元，见表2，与11-1042巷每米支护材料成本2240.21元相比，在保障巷道安全的前提下，节约支护材料费用159.22元，使支护成本降低7.1%。
表2 11-1052巷每米巷道支护材料成本
每排
序号
名称
单价（元）
单位
数耗
1 2
顶高强锚杆 帮高强锚杆
38 48.3
根 根
6 6
消耗 6.67 6.67
253.46 320.16
延米
金额（元）
3
邻近工作面开采影响下巷道稳定性及支护
