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宝欣矿无煤柱沿空留巷加固支护技术研究

2024-08-10 8 上传者：管理员

摘要：针对宝欣矿无煤柱沿空留巷巷道变形显著问题，分析了3207胶带巷留巷围岩变形破坏特征，揭示了沿空留巷围岩变形破坏机制，并提出了沿空留巷围岩加固支护技术方案。通过增加巷旁支护体抗扰动能力并改善其力学环境、优化巷内支护、提升围岩结构完整性及采空区顶板预裂等措施，以实现更好的留巷效果。为检验技术方案，在3209胶带巷进行了现场应用，并取得了理想的留巷效果。

关键词：
加固支护
围岩变形
无煤柱开采
沿空留巷
煤炭采出率
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无煤柱开采具有提高煤炭采出率、避免煤柱留设的集中压力、解决上隅角瓦斯聚集等优势，是防治煤矿冲击地压和瓦斯等重大灾害事故的有效手段，在国内多个矿区得到广泛应用。但在无煤柱开采过程中，留巷巷道围岩需经历多次采掘扰动，其力学环境及围岩损伤机理均较复杂，掘进支护难以有效控制留巷服务期内围岩的长时变形，需针对沿空留巷围岩进行加固支护，专家学者在沿空留巷围岩加固技术方面取得了大量的研究成果[1-4]。

宝欣煤矿主要开采3号煤层，该煤层的平均埋藏深度为400 m,平均厚度为2.15 m,属于全区稳定可采煤层。为了解决采掘接续紧张和上隅角瓦斯积聚等问题，宝欣煤矿采用了无煤柱开采技术。然而，采用该技术后，面临沿空留巷巷道围岩显著变形和支护难度大等问题。因此，本文针对宝欣矿沿空留巷围岩加固支护技术展开研究。

1、工程背景

3209胶带巷对应地面位置位于矿井工业广场东北侧，地表为山坡地段，无建筑物。地面标高1 170～1 200 m,工作面标高预计为740～680 m,埋藏深度为430～520 m.巷道布置在矿井北翼3号煤层中。3号煤属石炭系石炭统山西组。煤层厚度2.0～4.3 m,平均3.3 m,煤层结构简单，煤层倾角0°～-10°.顶板岩性为粉砂岩，底板岩性为细砂岩，岩性特征见表1.

表1煤层顶底板岩性特征

宝欣矿之前在3207胶带巷开展过沿空留巷试验，但留巷效果较差，围岩变形破坏严重，巷道断面收敛明显，难以继续为3209工作面服务。本文基于前期试验经验，分析沿空留巷围岩变形破坏机制，提出留巷围岩加固支护方案，并在3209胶带巷再次试验应用沿空留巷技术。

2、沿空留巷围岩加固支护技术

2.1 3207沿空留巷布置

图1(a)展示了3207工作面胶带巷的留巷流程。留巷前的巷高为3.3 m,巷宽为5.8 m,通过1.4 m宽的柔模袋墙体支护留巷顶板，混凝土强度为C40.

图1(b)展示了3207工作面胶带巷的支护参数。使用锚杆和锚索对顶板进行支护，顶锚杆的间排距均为900 mm.顶锚索长度为8.3 m,设计间排距为1 800 mm×900 mm.使用锚杆对巷帮进行支护，巷帮锚杆的间排距均为900 mm.

图1 3209胶带巷沿空留巷布置示意

2.2留巷围岩变形破坏特征

对于3207胶带巷留巷段进行现场观测以分析其留巷失败原因，留巷围岩破坏呈现以下特征(见图2):①顶板沿巷旁支护体的内侧发生切顶破坏；②巷旁支护墙体出现倾斜；③柔模袋墙体出现劈裂破坏并丧失承载能力；④留巷底板底鼓严重；⑤煤帮受覆岩载荷作用变形鼓出，导致帮锚杆挤出失效。3207胶带巷的留巷变形失效轮廓示意如图2(c)所示。

2.3沿空留巷围岩变形破坏机制

沿空留巷需经历多次开采扰动影响，引起覆岩随回采发生破断垮落，同时伴随发生采场周边应力环境的突变和演化。在这种复杂的受载过程中，留巷围岩不可避免发生变形与破坏，其在受力时表现出非对称破坏特征。

1)留巷顶板分层破断。

如图3(a)所示，留巷巷道位于顶板破断边缘位置，巷道顶板由巷旁支护体和煤壁支撑，承载高位顶板传递的重力载荷，留巷围岩的承载稳定性受到高位岩层运动的持续影响。高位岩层作用下留巷围岩破坏具有以下特点：①架后顶板由下而上逐渐垮落，垮落范围受坚硬岩层影响，顶板破断产生的动载和弯曲下沉的静载传递至留巷围岩承载结构，产生多次扰动影响，作用范围从基本顶至顶板裂隙带。②由于巷旁支护体的顶部是软弱伪顶，在顶板载荷作用下易破碎丧失承载能力，导致顶板传递载荷逐渐转移向煤壁侧承担。③由于顶板破断下沉运移，留巷围岩承载结构是非均匀受载的。

2)底板破坏特征。

开采扰动引起的应力重新分布是导致留巷底板破坏的根本原因。3207胶带巷底板为承载能力较差的泥岩，浅部底板岩层在复杂作用下出现塑性破坏，而深部岩层易发生剪切滑移破坏。留巷段底板岩层破断整体表现为非对称破坏，受力和变形破坏情况示意如图3(b)所示。

图2留巷围岩变形情况

3)顶板应力传递作用下承载结构失稳。

3209胶带巷沿空留巷的伪顶厚度较大，且伪顶为强度较低的泥岩，承压能力较差，柔模袋墙体上方的伪顶破坏后，顶板承载结构易发生失稳下沉。因此巷旁支护体上方顶板的承载能力是保证留巷围岩承载结构整体稳定的关键。

4)巷旁支护体压剪破坏。

受顶板倾斜下沉运动作用，巷道支护的受力具有非对称和非均匀的特点，在顶底板相向错动作用下，巷旁支护体易发生压剪等破坏。因此巷旁支护需要具备早强接顶和稳定性好等特点。

5)煤帮承载破坏。

在沿空留巷过程中，由于煤体内布原生裂隙，且是围岩承载结构中强度较低的组成部分，在顶板载荷作用下易破坏挤出。需从预裂切顶卸压降低和提升煤帮承载能力两方面入手，保证煤帮的稳定性。

2.4沿空留巷围岩加固支护技术方案

基于留巷围岩承载结构的力学状态和破坏特征分析，提出通过增加巷旁支护体抗扰动能力并改善其力学环境、优化巷内支护、提升围岩结构完整性及采空区顶板预裂等措施改善留巷效果，并在3209工作面实施。

图3沿空留巷围岩破坏特征示意

1)巷旁支护体加强支护。

为改善充填体的承载能力，保证其承载时的稳定性，对巷旁充填体的支护结构进行了易优化设计。通过在柔模袋的内外表面提前铺设加强钢筋网片，使得柔模袋墙体表面的抗变形能力显著提升，浇筑前，提前在柔模袋内部预制钢筋笼状结构和抗拉锚杆，以提升柔模袋承载能力。为了降低顶底板剪切错动对柔模袋充填体的影响，通过单体对墙体进行支护，支柱与墙体呈3°迎山角，以提高巷旁充填体在来压时的稳定性和承载能力。

2)超前锚索补强支护。

针对3209胶带巷条件设计了超前锚索补强支护方案，顶锚索参数为Φ22 mm×8 300 mm,帮锚索参数为Φ22 mm×4 300 mm.锚杆参数为Φ20 mm×2 400 mm,选用50 mm×50 mm的菱形金属网和Φ14 mm的钢筋托梁护表，超前工作面150 m进行补强支护施工。具体支护参数如图4所示。这些措施能够有效加固顶板和煤帮，保证沿空留巷的围岩稳定性。

3)滞后补强支护。

受留巷采空区的滞后支承压力作用，顶板与巷旁支护体接触面附近易产生剪切滑移破坏，为解决该问题，提出“锚索-槽钢-金属网”联合支护以提升3209胶带巷留巷围岩的支护强度。具体支护参数如图4所示。

图4 3209胶带巷补强支护断面示意

3、现场应用效果

在3209胶带巷进行了沿空留巷现场应用，发现架后未出现大范围悬顶，留巷应力水平较低，卸压效果较理想。同时柔模袋墙体仍保持完整结构，锚索仍发挥预紧作用，单体回撤后巷道未发生显著变形。

留巷围岩表面变形监测数据表明，巷道变形主要发生在留巷初期，且以顶板和帮部为主。图5展示了巷道表面位移监测测站的观测结果：顶板最大下沉量为208 mm,底鼓量最大为93 mm,煤帮侧最大变形量为156 mm,柔模袋墙体变形为50 mm.留巷断面的收敛率为13%,巷道可复用为3211工作面提供服务。

现场留巷试验效果表明，提出的沿空留巷加固支护技术方案，可有效控制3209胶带巷的留巷围岩变形和破坏。

图5现场应用情况

4、综上所述：

1)基于3207胶带巷沿空留巷围岩变形破坏机制，结合井下施工条件，提出了沿空留巷围岩加固支护技术方案，并在3209胶带巷实施应用。

2)现场监测表明，采用加固支护技术方案后，留巷围岩变形破坏得到有效控制，表面变形量较小，巷道仍保持较大断面，可继续为下个工作面提供服务。

参考文献: