郭 政

（山西潞安集团潞宁煤业有限责任公司，山西 宁武 036700）

随着科学技术的不断进步，赋存条件较差的煤矿开采也变得可行。孤岛工作面是指在准备进行开采的工作面周边均为采空区。孤岛工作面的开采难度较大，危险性较高，所以对孤岛工作面巷道失稳机理研究十分必要。本文以潞宁煤矿22116工作面风巷为研究对象，对孤岛工作面巷道破坏机理进行研究分析，为孤岛工作面的开采提供了一定的理论指导。

1 工程背景

潞宁煤矿22116工作面位于二二采区西南，位于22114和22118工作面中间，属于孤岛工作面，西北为未采动区域，东南为二二采区轨道下山、皮带下山、回风下山巷道。工作面井下标高为1037～1057m，工作面地面标高为1466～1610m，工作面区域地层整体为一南东向倾斜的单斜构造，煤层走向N48°W，倾向S138°E。该区域内煤层结构简单，中部夹不连续的薄层炭质泥岩夹矸，煤层厚度1.0～5.0m，平均厚度3.5m，煤质编号为气煤。22116综采工作面岩层赋存情况如表1所示。

表1 22116综采工作面岩层分布

在22116巷道掘进过程中，断面的顶板倾角大，上帮高达4.0m，容易片帮，导致帮部在没有来得及支护之前，煤就已经塌帮，对孤岛工作面的回采造成了一定的影响。

2 孤岛工作面失稳机理

孤岛工作面受到两侧采空区作用，在进行开采前上覆岩层就已经出现局部的断裂。观测上覆岩层的纵切图可以发现，上覆岩层呈现出“T”的形状，所以被称为“T”型结构。孤岛工作面的失稳与此类结构有着很大的关系。将孤岛工作面上覆岩层类化为两端固支梁，且上覆岩层共有n层，从下到上依次排列。如图1所示。

图1 岩层载荷计算图

上覆岩层的载荷由n层共同承担，所以有：

式中：

M-上覆岩层的弯矩；

Q-上覆岩层的剪切力；

Mi-上覆岩层第i层的弯矩；

Qi-上覆岩层第i层的剪切力。

上覆岩层的岩梁曲率与弯矩的关系为：

在岩梁弯曲过程中，岩梁的最大挠度和最大曲率分别为：

式中：

γi-第i层的岩梁容重；

Li-第i层的岩梁跨度；

Ei-第i层的岩梁弹性模量；

mi-第i层的岩梁厚度。

根据已知的岩层理论可知，在工作面推进过程中，上覆岩层会经历一个变化的连续过程，当上覆岩层发生弯曲后，随着工程扰动的不断增大，上覆岩层受到的拉应力会超过其抗拉强度。此时的上覆岩层会发生分层、断裂等情况，危害工作面巷道的稳定性。

3 巷道支护优化

根据孤岛工作面巷道失稳机理，并参照22118风巷锚杆支护初步设计，采用类比法确定了22116风巷设计采用锚杆、锚索、铁丝网和钢筋托梁组合支护系统。支护示意图如图2所示。

图2 22116风巷支护示意图

顶板支护：每排采用Φ22-M24-2400mm的高强度螺纹钢锚杆5根，间排距为1000mm×900mm。采用树脂药卷加长锚固，每根锚杆采用一支K2335型药卷在上和一支Z2360型药卷在下的锚固方式。铺设经纬网和Φ14mm的钢筋托梁，所有锚杆配套使用尼龙阻尼垫圈及球型垫。锚杆的预紧力矩不小于400N·m，不大于550N·m，锚固力不得小于190kN。锚索为Φ22mm，1×19股高强度低松驰预应力钢绞线，长度7300mm，垂直巷道顶板,每排2根，间距1800mm。锚索托板规格为300×300×16mm的钢托板，拱高大于60mm。与锚索配套药卷，采用一支K2335型药卷在上和两支Z2360型药卷在下。预紧力不得小于250kN。

两帮的支护：采用Φ22-M24-2400mm的高强度螺纹钢锚杆，每排4根，间距1000mm，排距900mm。采用树脂药卷锚固，每根锚杆采用一支Z2360锚固剂进行锚固，铺设经纬网和Φ14mm的钢筋托梁，所有锚杆配套使用尼龙阻尼垫圈及球型垫。锚杆的预紧力矩不小于400N·m，不大于550N·m。锚固力不得小于190kN。靠采空区帮隔排打设2根Φ22mm4.3m长锚索。

结合现场实践发现，巷道未及时支护之前，煤帮产生片帮现象，因此控制方案需要完善：

（1）筋网全封闭支护。针对巷道施工过程中经常出现掉渣空肩现象，为有效地对围岩起到保护和支撑作用，能更好地把顶网和帮网连接成一个整体，增强了钢筋网的支撑和传递力的作用，采用全封闭支护。

（2）缩小排距。由原来常规排距900mm改为800mm，并打设4.3m的帮锚索。

（3）加用木垫板。在锚杆托盘下加一层木垫板，能起到让压作用，增加弹性，减少托盘螺冒崩掉现象。

4 巷道控制效果

为了检验22116孤岛工作面成巷后的控制效果，在22116回风巷掘进过程中设置观测点，对巷道顶板离层状况进行观测。

4.1 巷道测站监测方案

（1）顶板离层仪安装在巷道顶板中部，每隔30m安装一个离层仪，离层仪间距不得超过设计值±5m。

（2）巷道交叉点处安装离层仪。22116风巷锚杆支护参数是决定是否调整锚杆支护的矿压观测数据有，根据工程实践，初步确定3个观测数据在掘进影响期间的指标值如下：

A-锚固范围内顶板离层值，50mm；B-锚固范围外顶板离层值，25mm；C-两帮相对移近量，150mm。

4.2 巷道实际控制效果

（1）巷道表面位移

通过设置表面位移观测测站对22116风巷进行矿压观测，巷道顶板下沉量平均为18mm，两帮移近量平均为12mm。巷道表面位移量不大，说明该巷道支护方案有效地控制了巷道围岩的变形，支护效果比较理想。

（2）顶板离层

通过矿压观测可以看出，巷道顶板离层主要发生在锚固范围内，离层值最大为15mm，而锚固范围外离层值较小，不超过10mm。巷道离层在距掘进迎头50m左右基本趋于稳定。

（3）矿压观测分析

通过以上对矿压监测资料的分析可以看出，巷道在掘进期间总的变形量不大，并且在较短时间内基本趋于稳定，充分说明锚杆支护设计是科学的、合理的，满足巷道支护的要求。

5 结论

（1）通过对孤岛工作面上覆岩层力学特性的分析，发现孤岛工作面巷道失稳破坏的本质原因是由于两侧采空区造成上覆岩层的“T型”结构失稳；

（2）22116风巷现场实测结果发现，采用设计后的孤岛工作面巷道控制方案后，巷道表面位移量较小。巷道顶板下沉量平均为18mm，两帮移近量平均为12mm，顶板的离层值最大为15mm，其余范围离层值都明显较小，不超过10mm；

（3）该研究结论不仅解决了潞宁煤矿的实际工程问题，且为相似工程条件下的巷道支护提供借鉴思路，有一定的推广和应用价值。