锚杆、混凝土砌块联合护巷技术研究

锚杆、混凝土砌块联合护巷技术研究

徐健

徐健

川煤集团达竹公司斌郎煤矿635022

【摘要】我矿中厚煤层工作面，矿压大，顶板坚硬，沿空护巷难度大。普通的巷旁充填护巷技术已不能满足护巷要求。通过不断摸索，以及与科研院校合作，我矿研究了锚杆（锚索）、混凝土砌块联合护巷技术，并在N1013工作面机巷工业性试验成功。

【关键词】中厚煤层综采工作面锚网索混凝土砌块沿空护巷

Bolt,concreteblockcombinedroadwaysupportingtechnologyresearch

XuJian

CoalgroupcompanyBinLangTatsubamboocoalmine635022

[Abstract]mineinthickseamworkingface,miningpressurebig,hardroof,alonggoafroadwayisdifficult.Acommonroadsidefillingroadwaytechnologycannotmeettherequirementofsupportingroadway.Throughcontinuousexploration,andcooperationwithscientificresearchinstitutions,theminebybolt(anchor),concreteblockcombinedroadwaysupportingtechnology,andintheN1013facemachineroadwaysuccessfulindustrialtrial.

[Keywords]inthethickcoalseamfullymechanizedworkingfacewithboltmeshanchorconcreteblockretainingroadwayalonggoaf

1沿空护巷理论研究

1.1沿空护巷围岩应力分布

众所周知，用垮落法开采时，采空区顶板岩层从下向上一般会出现垮落带、裂隙带和弯曲下沉带。采用长壁工作面采煤时，沿回采工作面推进方向，垮落带岩层处于松散状况，上覆岩层大部分呈悬空状态（图1中的Ⅲ和图2），悬空岩层的重量要转移到工作面前方和采空区两侧的煤体上。此时采空区为低于原岩应力γH的应力降低区（图1和图2中C），在工作面前方（图1中B）和采空区两侧的煤体（图2中B）上，出现比原岩应力大得多的增高应力（KγH），称为支承压力。回采引起的支承压力，不仅对沿空护巷围岩的稳定性造成很大危害，而且也严重影响布置在回采空间周围的底板岩巷和邻近煤层巷道。在回采引起的侧向支承压力作用下，沿空护巷巷帮煤体将会向巷道空间发生强烈位移，甚至会导致煤壁失稳。因此，研究支承压力的控制问题，减轻支承压力的危害和影响，对沿空护巷有着极其重要的意义。

图1：回采工作面前后方的应力分布

Ⅰ¬—工作面前方应力变化区；Ⅱ—工作面控顶区；Ⅲ—垮落岩层松散区；Ⅳ—垮落岩石逐渐压缩区；Ⅴ—垮落岩石压实区

A—原岩应力区；B—应力增高区；C—应力降低区；D—应力稳定区

图2：采空区两侧应力分布

Ⅰ¬—垮落带；Ⅱ—裂隙带；Ⅲ—弯曲下沉带

A—原岩应力区；B—应力增高区；C—应力降低区

回采工作对沿采空区保留的巷道(沿空护巷)的影响，实质上是在巷道周围形成了高应力场，从而改变了巷道受回采影响之前的应力状态，致使巷道的围岩应力再一次重新分布，塑性变形区扩大和周边位移显著增长。这个高应力场是变化的、不均匀的，它主要取决于巷道离采煤工作面的距离、周围的采动状况，如巷道仅一侧采动还是两侧均已采空，附近正在回采还是采动己趋稳定，以及巷道与采空区边缘的距离，即巷旁支护墙体的宽度等。

1.2留巷侧采空区顶板的运动规律

研究表明，煤炭被采出，相当于撤除了上覆岩层的部分支座，会导致上覆岩层应力的重新分布。根据应力重新分布的“集硬效应”，即：哪里支护刚度大，岩层应力分布到哪里的载荷就越大。其结果是在采空区上方顶板中形成卸载空间，采空区边界煤层顶板中形成加载空间。卸载空间达到一定限度将产生垮落，垮落是自下而上发展的，最下位岩层(或岩层组)首先垮落称为初次垮落，其上位岩层的垮落称为后继垮落。上覆岩层的这种自下而上的垮落过程称为前期破坏活动。在固定边界处，前后垮落的岩层形成的一个“倒台阶”，即后序垮落边界总是在前次垮落边界的外侧。据研究，通过改变边界支护方式能够改变初次垮落岩层的垮落边界，进而改变整个垮落线的位置。这一特点，是沿空护巷支护对围岩前期作用的关键。

随着垮落层位的不断提高，固定边界已垮岩层残留边界由承载状态转入了加载状态。当加载达到一定程度，即达到下位岩层整个残留边界的总极限承载能力时，残留边界就会产生破断，上方未垮岩层会失去平衡，产生下沉。从而加剧沿空护巷上覆岩层的平移下沉以及巷道煤帮的挤出，使巷道煤帮内的支承压力范围加大。这就是上覆岩层的“后期活动”。在后期活动过程中，由于上覆岩层载荷极大，增大支护阻力，并不能减少上覆岩层的平移下沉。平移下沉具有“给定变形”特点，此时支护载荷完全取决于有效支护刚度的大小，有效刚度越大，载荷也越大，这个规律称为“硬支多载规律”。因此后期活动中，护巷支护的关键是降低刚度，将载荷转移到采空区已垮落岩体上。

1.3巷旁支护的作用

根据以上分析，沿空护巷采空区侧的巷旁支护作用与工作面后方顶板运动规律密切关联。

顶板前期活动阶段以直接顶垮落为主，来压强度较小，巷旁支护的作用力主要是平衡巷道上方直接顶及其悬臂部分岩层的重量。

顶板后期活动阶段，老顶破断、失稳、旋转下沉剧烈。巷旁支护应具有足够的可缩量以适应老顶的回转，通过适当的下缩让压，充分发挥围岩(老顶岩梁及冒落矸石)的承载能力。

2沿空护巷关键技术研究

2.1沿空护巷墙体结构

为确保沿空护巷成功，合理选择沿空护巷采空区侧的巷旁支护形式非常重要。其既要满足强度要求，又必须具有一定的可缩量。

目前，国内外沿空护巷的巷旁支护方式有很多，主要有木垛、密集和墙体。墙体根据材料和结构又有很多种，比如矸石块垒墙、矸石煤块混凝土墙、混凝土充填墙、高水材料墙以及其它各种材料的墙体。

木垛和密集强度太低；矸石墙取石困难、进度慢、墙体透气性系数高；混凝土墙以及高水材料墙等施工工艺复杂且成本较高。

砌块墙是通过传统工艺转变而来。它通过地面制模、养护，井下砌筑墙体，使护巷墙体既具有混凝土墙的强度，又极大的缩短了养护期短，具有较好的气密性，且护巷成本较低。是一项值得推广的巷旁支护形式。

经过反复计算、模拟和论证，结合矿区以往的施工经验及实际条件，选择混凝土砌块墙作护巷巷旁支护是合理的。为适应采空区老顶移动，增加墙体的抗侧压能力，设计砌块错缝纵码成墙，并每隔一定距离砌一个加强墩。同时，墙体上方设计用厚度150——250mm的木材进行接顶，使墙体具有了足够的可缩量。这样，墙体整体达到了护巷要求。

2.2沿空护巷顶板控制工艺研究

顶板控制的目的是使顶板在护巷前后都保持完整稳定，使巷旁墙体均匀承载。控制的关键是墙体上方的顶板控制。传统的沿空护巷对巷旁墙体上方的顶板没有任何控制措施。墙体施工结束后，在采掘过程中本来就已经被弱化的顶板在支承压力作用下很快变形破坏，造成墙体受力不均，巷道变形严重，甚至造成墙体大面积破坏，导致护巷失败。因此，采区必要的措施对护巷墙体上方顶板进行控制，是护巷墙体发挥作用的关键。

控制墙体上方采空区顶板的方式有多种，常用方法可采用单体液压支柱配合铰接顶梁滞后支护采空区，其优点是便于操作，缺点在于支柱占用量大；考虑到支柱回收的问题，滞后距离较短，一般在几米范围之内，其作用及意义不大。若采用木点柱控制墙体上方采空区，虽可滞后控制较长距离，但是对于大采高工作面，木点柱支撑力有限且易折损，不能起到较好控制顶板的效果。采用锚杆（锚索）支护控制顶板，可以很好地将墙体上方顶板与机巷原顶板组成一个整体，提高了顶板的强度，充分的利用围岩自身来抵御支承压力。确保墙体上方顶板与机巷原顶板不会因大变形而破坏，将采空区顶板垮落线控制在护巷墙体以外。同时，已垮岩层残留边界也具有较强的支承力，为抵御顶板后期活动提供帮助。

采用锚杆（锚索）支护控制顶板，虽然为工作面回采和护巷增加了一道工序，但通过合理的工序安排，能够排除其对正规生产和护巷作业的影响，且工艺十分简单。另外留巷时墙体施工在支护良好的情况下进行，安全可靠。

3工业性试验结果

3.1护巷效果

我矿在N1013工作面机巷对锚杆、混凝土砌块联合护巷技术进行了工业性试验，取得了较好的效果。现场实测顶底板移近量小于300mm，两帮移近量小于250mm。N1013机巷作为N1015风巷时，完全能满足通风、设备运输及行人需要。

3.2护巷效益

沿空护巷的成功，减少了采区巷道数量，降低了万吨掘进率，有利于采掘接替。减少了煤柱损失，提高了资源回收率，为创建资源节约型企业，打下了良好的基础。另外，护巷成本低于巷道掘进成本，企业生产成本总体降低。为企业创造了较大的经济效益。

4结论

研究沿空护巷技术，其本质在于研究采后顶板活动规律，采取合理的控制手段，使其向着有利于生产的方向发展。

本次研究采用混凝土砌块巷旁充填支护，给护巷顶板提供足够的支承力，同时利用锚杆（锚索）支护，将护巷顶板与墙体上方顶板形成一个整体，充分利用围岩自身承载能力，共同抵御采后支承压力，使围岩应力重新恢复平衡，确保巷道不会因大变形而破坏。现场实践表明，该技术能够达到护巷的目的，且产生了良好的经济、技术效益。为沿空护巷提供了可借鉴的经验。

随着采深的不断增加，采后支承压力会不断增大，巷旁充填护巷技术的局限性会越来越明显。要克服这一难题，采空区顶板主动卸压技术将成为沿空护巷的关键，这也是高应力条件下沿空护巷的主要研究方向。

作者简介：徐健（1986-08），重庆大足县人，助理工程师，2008年毕业于重庆大学采矿工程专业，现任斌郎煤矿技术科副科长。