1、专题部分综放工作面沿空掘巷支护技术综述前言近几年来，综采放顶煤开采技术发展较快，并取得了巨大的经济效益。但是，目前放顶煤开采两巷维护困难，严重地制约了综放面的推进速度，影响了综放技术的进一步发展。采用沿空掘巷的方式，不仅能够提高放顶煤开采煤炭采出率，而且还能够改善综放面两巷的维护状况。因此，掌握综放面沿空掘巷的矿压显现特点，采用合理的沿空掘巷支护方式，是综放面沿空掘巷的技术关键。1综放面沿空掘巷的矿压显现特点由于综放工作面比一般分层综采时一次采出的煤层厚度成倍增加，上覆岩层的活动程度及波及范围也相应增加，使得沿空巷道的矿压显现非常剧烈 ，综放面沿空巷道的变形量较分层开采时要大的多。在受采动影响
2、时，采空区悬露顶板以巷道实体煤帮为支点转动，导致沿空巷道两帮严重破裂，位移量大；同时，悬臂岩梁的回转又引起沿空巷道顶板的下沉破坏，巷道顶底板移近量也大1。目前我国兖州矿区综放开采已采用留窄煤柱的沿空掘巷。根据有关研究，综放面沿空掘巷的巷道矿压显现具有以下特点。1.1 巷道围岩变形量大，并且两帮变形量大于顶底板移近量图1 为一实测综放面留窄煤柱沿空掘巷的巷道围岩变形结果2。由图1 可见，在距工作面120140 m 范围内，巷道围岩变形速度及变形量开始缓慢增加； 距工作面50 m 以内为巷道剧烈变形期，两帮移近速度最高达98 mm/ d，顶底板移近速度达到60 mm/ d； 在距工作面20 m 左
3、右处，两帮移近量达685 860 mm，顶底板移近量240 355 mm，巷道在工作面附近断面收缩率高达64%。来压期间的巷道围岩变形量大于非来压期间的。1-两帮 2-顶底图1 综面沿空巷道的围岩变形因此，综放沿空掘巷的巷道矿压显现非常剧烈 ，巷道的变形量较大，并且两帮的变形量远大于顶底板移近量。1.2 巷道矿压显现表现出明显的周期性3根据观测结果表明，综放工作面沿空掘巷的巷道矿压显现表现出明显的周期性，工作面每推进一定距离，巷道出现一次剧烈变形，这与工作面内的顶板来压规律基本上一致。2综放面巷道围岩控制机理2.1综放工作面沿空掘巷围岩应力分布规律如图2所示，当右边工作面采放后，由于煤层采放厚
4、度大，冒落矸石和剩余浮煤难以充满采空区，老顶下沉并在采空区边缘发生断裂，煤体上的顶板弯曲并以一定角度向采空区倾斜，侧向支承压力向煤体内转移。 在顶板弯曲下沉、支承压力转移过程中，边缘煤体被破坏，形成一定厚度的破碎区，同时，在煤体边缘一定范围( 一般07 m) 内形成应力降低区 ，为沿空掘巷创造了有利条件.由于巷道掘出后在围岩内形成破碎区，此时，煤柱两侧均存在破碎区，承载能力较小，而左边工作面采放时，形成超前支承压力，在超前支承压力的作用下煤柱进一步压缩破碎，使顶板再一次发生断裂，巷道压力及变形量急剧增加. 因而综放工作面沿空掘进的巷道在受到工作面超前支承压力作用前维护较容易，受到超前采动支承压
5、力作用时维护困难。图2 综放工作面沿空巷道应力分布2.2巷道围岩应力场和围岩赋存状况当一侧工作面采放后，与普通工作面相类似，在采空区边缘形成侧向支承应力，可分为应力降低区、应力升高区和原岩应力区。由于综放面采放厚度大，岩层影响范围较大，为减少巷道围岩压力和煤炭损失，应沿采空区边缘留窄煤柱将巷道布置在应力降低区。由于相邻工作面回采的影响，在采空区边缘的煤体不可避免出现破碎区、塑性区。留窄煤柱掘进巷道，巷道围岩形成破碎区、塑性区，此时，窄煤柱两侧均存在破碎区，承载能力较小，围岩应力较小，巷道易于维护。工作面采放形成超前支承应力，在超前支承应力的作用下，巷道围岩应力急剧增大，窄煤柱进一步压缩破碎，导
6、致巷道变形量急剧增加。因而综放面沿采空区边缘掘进的巷道在受到工作面超前支承应力作用前维护较容易，受到超前采动支承应力作用时维护困难。2.3窄煤柱宽度的合理确定要保持综放沿空掘进巷道的稳定，必须提高煤柱的稳定性和承载能力，而煤柱的稳定性和承载能力与煤柱的宽度、巷道的支护阻力、围岩力学参数等有关。 工字钢、U 型钢支架等传统支护方式支护阻力小，不能改变围岩的力学参数，难以提高煤体的强度。 煤柱两侧均采用锚杆支护，尤其是高强锚杆支护时，可显著提高煤柱的峰值强度和残余强度，达到提高煤柱的稳定性和承载能力的目的。根据综放沿空掘巷围岩应力分布，为避免巷道处于应力升高区，护巷煤柱宽度应尽可能小一些。由于煤柱
7、两侧存在破碎区和塑性区，如果煤柱过窄 ，煤柱均为破碎区和塑性区，稳定性和承载能力极低 ，并且锚杆全长处于破碎围岩中，锚杆无着力基础、锚固力小，不能保持煤柱的稳定。因此，煤柱必须有一个合理的宽度，既能保证巷道围岩应力小、又能保证围岩完整、煤炭资源损失小。根据极限平衡理论，合理的最小煤柱宽度B = 1.15( x1+x2)，其中 ，B为煤柱宽度，m； x1为锚杆有效长度，m；x2为上区段工作面开采在煤柱中产生的塑性区宽度，x2=， （2-1）其中 M-上区段平巷高度，m； A-侧压系数； C0 和-煤体内聚力和内摩擦角； k-应力集中系数； H -巷道埋深，m；-岩层平均容重，MN/m3；P0-巷
8、道的支护强度，MPa.2.4高阻让压支护控制围岩变形综放工作面巷道顶板、两帮均为强度较低的煤体，在工作面超前支承应力的作用下，即使很大的支护阻力也难以避免围岩产生较大变形，另外由于回采巷道服务时间短、允许围岩产生较大变形。因此 ，综放沿空掘进巷道的支护体在具有较高阻力的同时必须具有较大的变形性能，使围岩的变形能量得到释放而让压，防止支护在高支承压力作用下被破坏 ，导致围岩变形失去控制而失稳。因此，应采用高阻让压支护控制综放沿空掘进巷道围岩剧烈变形。3综放面沿空掘巷的支护技术关键根据综放面沿空掘巷的矿压显现特点，在现有的技术条件下，绝对控制沿空巷道的大变形是不可能的，而有效地控制综放面沿空掘巷的
9、强烈位移，保持巷道围岩完整的技术关键如下。应在沿空巷道围岩中形成稳定的承载结构，充分发挥围岩的自身承载能力。控制沿空掘巷围岩的强烈变形不能只依赖于支架的被动承载，因为煤层的强度一般可达10 MPa 以上，百倍于支架的承载能力，它对围岩的控制作用是支架无法比拟的。因此，将巷道围岩的破碎煤体重新组织起来，并形成稳定的承载结构，使围岩均匀变形，可保持沿空掘巷围岩的完整并满足安全生产的需要。控制沿空掘巷围岩强烈变形的关键是控制煤帮的强烈位移。综放面沿空掘巷的煤帮不仅承受很大的支承压力，而且是已采区悬梁的支撑点，所以沿空掘巷的煤帮会产生严重破裂，并向巷道空间挤出，导致煤帮强烈位移和悬梁回转角的增加，引起
10、巷道顶板的急剧沉降。因此，要控制沿空掘巷的强烈变形 ，应首先控制煤帮的位移，提高沿空巷道巷帮的承载能力，保证上覆岩层结构有一个相对稳定的支撑点 ，减缓上覆岩层活动的剧烈程度。在沿空巷道遭受回采工作面剧烈动压影响期间，沿空巷道顶板可以采用超前加强支护来保证巷道高度，满足生产的需要 ，而巷帮则难以采用超前加强支护控制其剧烈变形 ，特别是沿空掘巷的窄煤柱，必须采取有效的支护措施，使煤帮保持较高的三向应力状态。4综放面沿空掘巷的支护现状在围岩中等稳定的条件下，综放沿空巷道大多采用矿用工字钢梯形棚 1，这种支架具有结构简单和安设拆卸方便等优点，但存在两个严重缺陷: 承载能力和支护强度过低，井下实测结果，
11、整架承载能力平均只有130 kN，支护强度平均仅0.02 MPa，对围岩变形的控制能力很小； 为刚性结构，支架本身无可缩性能，不适应于围岩大变形的沿空掘巷。因此，在巷道受到采动影响时，远在工作面前方100150 m，支架就大量损坏和翻修，或采用大批临时支柱支护，巷道断面收缩率高达50%，严重影响了综放面的安全生产。根据巷道支架围岩关系的研究成果，欲有效地控制综放沿空巷道围岩的大变形，支护强度不能低于0.3 MPa，巷道断面收缩率不能超过30%，而现用的矿用工字钢刚性支架根本无法有效控制沿空巷道围岩的强烈变形。即使U 型钢可缩性支架，由于受力条件较差，支护强度一般也只有0.05 0.1 MPa，
12、不仅难以控制沿空巷道的围岩强烈变形 ，而且在采动影响期间，支架也会大量损坏。因此，必须开辟新的技术途径。5综放面沿空掘巷的工字钢棚支护综放两巷常采用工字钢棚支护。由于架棚支护属于被动支护，支护阻力小，受采动影响后巷道变形量大，维护困难。沿采空区布置的巷道即使留20m 煤柱也不能保证巷道稳定，需要多次翻修，维护成本高，严重影响安全生产，区段煤柱也损失了大量的煤炭资源。以下从作用机理结构分析：从巷道围岩空间状态而言，巷道是由顶板、底板和两帮组成的一个复合结构体，结构的各个部分在矿山压力作用下的受力状态不同，其围岩性质也存在着很大的差异，因而巷道顶、底、帮的稳定状态往往有明显的结构特征8。具有结构特
13、性的力学体系可以用梁、柱、板等力学结构单元来描述9，它的形成及运动与围岩性质、支护体特性、巷道维护方式等因素有关。工字钢支架的顶梁支承在两根柱腿上，顶梁可简化为简支梁，柱腿可简化为悬臂梁，如图3所示.图3 工字钢支架结构分析简图( a) 工字钢支架示意图； ( b) 工字钢梁柱结构受力变形图工字钢支架属于被动的刚性支护，存在被动承载和结构稳定性差等缺点。 工字钢支架受到来自顶板和两帮的荷载作用，一方面由于巷道底板没有加固，底板在水平应力的挤压作用下出现严重底臌，底角随之发生内移并带动工字钢柱腿转动和倾斜；当柱腿倾斜到一定程度时，它将失去对顶梁的支撑作用，导致支架倒塌和巷道的垮落失稳。另一方面工
14、字钢顶梁在垂直应力作用下，在与柱腿结合的部位应力集中较为严重并形成较大的剪力和弯矩，在顶梁的中部形成较大的弯矩和挠度，这些薄弱部位很容易发生断裂而失稳，从而失去对顶板的支撑作用并造成顶板的离层和冒落，最终导致“支架- 围岩”系统完全失稳。因而，工字钢支架不能满足深井综放沿空掘巷对支护的要求。6综放面沿空掘巷的锚杆支护锚杆支护的实质是锚杆和锚固区域岩体相互作用，并形成统一的承载结构，使巷道围岩强度得到强化。和棚式支架相比，锚杆支护主动加固围岩，强化围岩强度，防止顶板早期离层，能保证巷道安全、经济和快速掘进。因此，在综放沿空掘巷中发展锚杆支护已成为改善巷道维护状况、保证综放面顺利推进的重要技术途径
15、，具有重要的理论和实用价值4 。锚杆支护作为一种主动支护方式，具有显著的技术经济优越性 ，目前已广泛用于综放回采巷道支护。实践证明合理的支护形式是充分发挥锚固体承载力、确保综放回采巷道稳定的关键因素之一。由于综放回采巷道围岩的特殊性，在工程实际中多采用工程类比法以及悬吊、组合梁、组合拱、冒落拱等理论为基础的解析法来确定锚杆支护形式。根据理论计算在工作面压力根据围岩特征、地应力及巷道断面大小、形状，确定巷道支护设计方案为: 高强预应力锚杆、预应力锚索组合支护技术方案，表面控制采用菱形铁丝网片。6.1 煤巷锚杆支护机理综放面两巷的顶板和两帮均为松散、破碎的煤体，锚杆的作用是对其锚固范围内的煤体提供轴向和径向约束，轴向约束来自锚杆的轴向力，通过护表构件、杆体与孔壁间的作用力对巷道围岩施加围压 ，将围岩由单向双向受力状态转化为双向三向受力状态； 径向约束主要表现为锚杆杆体和锚固剂所提供的抗剪能力，它增加了节理面间的摩擦力，限制了节理面的相对错动，改善了围岩弱面的力学性质。锚杆支护能显著提高全煤巷道围岩的残余强度和承载能力，锚杆与其锚固作用范围内的煤体构成一种组合型锚固支护体，使煤体形成具有一定承载能力、并可适应围岩变形的锚固平衡拱，从而提高了围岩的整体性和稳定性。锚杆支护形成锚固平衡拱的作用示意如图4。 图4 锚杆锚固平衡拱作用示意6.2 支护措施就现有的支护技术而言，锚杆与注浆加固的
