孤岛工作面沿空掘巷控制技术

摘要：针对潘二矿18227孤岛工作面进行支护设计，分析其巷道维护的特点和难点。总结了留小煤柱沿空掘巷确定煤柱宽度的原则：能够实施安设锚杆的原则，相对有利的应力环境的原则，保证锚杆具有良好锚固性能的原则，预留巷道围岩变形的原则，有利于小煤柱自身稳定的原则，采出率高的原则；分析了不同掘巷位置的优缺点，最终确定开巷位置和煤柱宽度，并针对其巷道维护特点进行支护参数设计，取得了良好的效果。

关键词：孤岛工作面 沿空掘巷 组合支护 高预应力 桁架锚索

1 概述

潘二矿18227工作面位于井田西四采区，走向长1512m，倾斜长180m。工作面东起井田西四采区上山，西以F252断层煤柱为界。7-1煤层老顶上赋存有含水的砂岩，特别是本工作面局部位于天窗区下方，顶板砂岩富水性强，可能会顺裂隙带导入顶板岩层或巷道。

该工作面为孤岛工作面，工作面上、下相邻阶段均为采空区：上邻阶段为2010年3月收作的18127工作面，下邻阶段为2011年2月收作的18327工作面。另外，该工作面顶板上覆2009年3月收作的8煤层18228工作面采空区。7煤层与8煤层间距15m左右，最近距离仅10m。

本工作面与上分阶段7煤层18127采空区煤柱宽度9.5m，18127采空区内的积水可能会渗透到煤柱中。

2 施工巷道特点

2.1 孤岛面上、下顺槽经受双重支承压力的作用与破坏

孤岛面上、下顺槽均沿采空区边缘掘进。巷道所处位置处的煤体在掘进前已受到相邻阶段采空区边缘固定侧向支承压力的作用，煤体已经发生破坏或较大变形。巷道掘进后，采场边缘侧向固定支承压力重新分布，巷道两侧煤体中产生新的应力集中与分布。而在本工作面回采时，在原来支承压力的作用下，两巷及其巷帮煤体都将受到新的工作面超前支承压力的作用与影响，巷道的变形和破坏将会更加严重。由于是两侧沿空，任何一侧巷道的严重变形或破坏将危及工作面的生产、通风与安全。相比于单侧沿空掘巷的工作面，孤岛面沿空巷道支护的稳定性及安全性要求更高。

2.2 相邻工作面及上覆8槽采动支承压力影响

18227上顺槽将受到的采动支承压力影响有：在距巷道拔门处18m左右处，巷道将受到上阶段18127工作面收作线固定支承压力的影响；在距巷道拔门处340m至400m处将受到上覆8煤层遣留未采区支承压力的影响，并且其前后影响范围大于60m；在距巷道拔门处870m处将受到上覆8煤层18128工作面开切眼固定支承压力的影响；在距巷道拔门处1050m处将受到上阶段7煤层18127工作面开切眼固定支承压力的影响。

3 小煤柱沿空掘巷的控制

3.1 确定合理煤柱宽度原则

①能够实施安设锚杆的原则。小煤柱采用锚杆支护时，煤柱的宽度至少应大于锚杆的长度，使锚杆能锚固在煤柱中。现有条件下，锚杆的长度多在2.0m左右，考虑到保留一定的宽度富裕系数，故要求小煤柱的宽度应不小于5.0m。

②保证锚杆具有良好锚固性能的原则。如果煤柱均为破碎区，其承载能力和稳定性较差，而且锚杆在破碎煤体中的锚固力很小，锚杆支护作用降低，巷道维护困难，因此，应将锚杆锚固工作面回采产生的破碎区外的稳定煤体中。

③预留巷道围岩变形的原则。沿空掘巷合理的小煤柱宽度不但要能保证巷道围岩的稳定性，而且在现有的支护条件下，围岩的变形量应能满足生产过程中对断面的使用要求。

3.2 沿空煤柱留设

工作面回采过程中，煤体由弹性状态变为塑性状态，产生较大变形，随着采动的影响及时间延长，上覆岩层断裂，并逐渐反转下沉，当上覆岩层与邻近采空区矸石接触并压实后，煤体变形基本稳定，上覆岩层结构业已基本形成，在煤体上方应力分布与底板应力分布组成了“压力拱”模型。压力拱前后拱脚压力大小并不是相等的，而是一个不对称“压力拱”。按应力值的相对大小可以分为三个区，即应力增高区、应力降低区和原岩应力区。

在应力降低区中沿空掘巷分为无煤柱掘巷和小煤柱掘巷两种。无煤柱掘巷虽然能充分开采煤炭资源，但存在巷道通风、上区段采场采空区残煤自燃、老塘积水等不利因素。因此，最佳煤柱尺寸应是在煤柱煤体不出现宏观裂隙、不会向采空区漏风、诱发自燃、有一定的承载能力的、能满足巷道维护要求的最小的煤柱尺寸。煤柱的留设主要取决于自身的可加固性和承载能力。

通过以上分析初步确定小煤柱宽度为6~10m，在此范围内进一步分析则较复杂，必须综合考虑煤体硬度、采空侧顶板的破碎程度和悬顶状况、对煤柱整体性的要求、变形的特征、对巷道变形量的控制程度等因素进一步分析。为了保证其自身稳定，而且巷道围岩变形量较小，有利于巷道稳定，工作面轨道巷的煤柱宽度初步定为9.0m。

4 支护设计

4.1 巷道布置层位与巷道断面

巷道跟煤层顶板掘进。18227工作面顺槽设计断面形状为矩形，巷道宽5m，高3m，断面积15m2。

4.2 顶板支护

巷道顶板采用两种支护单元进行支护：第1支护单元由锚杆和W钢带组成，钢带长度4.9m。钢带沿巷道顶板横向布置，每根钢带上安装6根锚杆，间、排距分别为800~900mm和800mm。除肩窝位置两根锚杆按与铅垂面15°角锚入外，其余锚杆均穿过钢带孔垂直顶板锚入。顶板支护W型钢带规格：4900×280×5mm，锚杆采用Φ22×2500mm左旋螺纹钢等强锚杆，锚杆垫板采用面积不小于200×200mm、厚度不小于16mm的矩形钢垫板。采用网孔不大于40mm的8#金属网背护，金属网紧贴顶板铺设，纵向搭接，搭接长度100~150mm。搭接处用14#铁丝扎结，且用W钢带压茬。锚杆孔径30mm，孔深2400mm，每孔内安装2支Z2355树脂药卷。

第2支护单元由2000mm长18号槽钢梁和锚索组合而成。组合锚索沿巷道纵向布置，共布置3排。靠近巷帮的组合锚索距巷帮1300mm，间、排距分别为1200mm、800mm。钢绞线穿过槽钢梁上的锚索孔垂直锚入顶板，并压在顶板W型钢带的下面。顶板支护锚索规格：Φ22×8500mm，锚索托板规格：200×140×20mm。锚索孔径30mm，孔深8200mm，每个孔内安装4支Z2355树脂药卷。

4.3 巷帮支护

沿空侧巷帮采用锚杆+W型钢带和组合锚索进行支护。钢带沿巷道竖向布置，每根钢带布置4根锚杆。巷帮上、下部锚杆分别按与水平面成15°仰、俯角锚入巷帮顶底板，另外2根锚杆穿过钢带上的安装孔垂直巷帮煤体安装。巷帮钢带规格：2700×280×5mm，锚杆采用Φ20×3000mm左旋螺纹钢等强锚杆，锚杆垫板采用与顶板锚杆支护相同的垫板。采用网孔直径不大于40mm的8#金属网紧贴顶板铺设，竖向铺设，横向搭接，搭接长度100mm。搭接处用14#铁丝扎结，且用W钢带压茬。锚杆孔径30mm，孔深2900mm，每孔内安装2支Z2355树脂药卷。

另在沿空侧巷帮距底板800mm、1600mm高处沿走向各布置一排巷帮组合锚索。每副巷帮组合锚索由W钢带与4根锚索构成；其钢带与巷帮锚杆支护用钢带相同；组合锚索压在锚杆支架的外面，并相互压茬。巷帮锚索规格：Φ18×5100mm，锚索垫板规格：200×200×20mm。锚索孔径30mm，孔深4800mm，每孔内安装3支Z2355树脂药卷。锚索孔按5°仰角钻进布置。

工作面侧巷帮采用锚杆+W型钢带支护。钢带沿巷道竖向布置，每根钢带上布置4根锚杆。全部锚杆穿过钢带上的安装孔垂直巷帮煤体安装。巷帮支护用钢带、锚杆及其垫板、金属网等其它均与沿空侧巷帮支护相同。

5 结论

巷道施工后，根据现场观测，两帮移近量平均为300mm，最大为500mm。巷道顶板有一定下沉量，底板出现了一定的底鼓，通过连续几个月的矿压观察，巷道基本上稳定，顶板仍然保持完整、稳定、支护状态好，满足回采需要。

参考文献:

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[2]张农，李学华，高明仕.迎采动工作面沿空掘巷预拉力支护及工程应用[J].岩石力学与工程学报，2004(12)．

[3]康红普，姜铁明，高富强.预应力在锚杆支护中的作用[J].煤炭学报，2007，(7)．

作者简介：何红涛（1983－），男，河南汝州人，助理工程师，淮南矿业集团潘二煤矿，学士，从事煤巷掘进方面的研究。