张文豪

（山西兰花科技创业股份有限公司大阳煤矿分公司，山西晋城 048000）

煤炭属于不可再生资源，在我国煤炭大量开采的当下，煤企如何在保证安全高效生产的前提下，获得更高的资源采出率成为了企业所面临的技术难关[1]。无煤柱开采对于煤炭资源采出率的提高具有显著效果，特别在中厚煤层的开采中具有良好的应用前景。而沿空留巷技术的提出更是对无煤柱开采的重要补充，可以有效减少巷道掘进的工作量、延长工作面服务年限，并对工作面瓦斯涌出有一定治理效果[2-4]。但沿空留巷后如果对巷道支护不足，则会产生二次来压，围岩发生倾斜、底鼓等现象，影响矿井生产安全[5]。本文以大阳煤矿3406 工作面为研究对象，对其沿空留巷的支护工艺进行了优化，并对其支护效果进行验证。

1 工程概况及发现问题

1.1 工作面概况

大阳煤矿3406综采工作面位于3号煤层四采区中部，地面标高+1145～+1310m，地形总体为西高东低，工作面倾向长1181m，走向长260m，煤层结构简单，含有夹矸0～2层。岩层顶底板信息如表1所示。

表1 3406工作面顶底板信息

1.2 工作面矿压问题

3号煤层采用无煤柱开采法进行采掘，目前该工作面轨道巷矿压大，矿压显现剧烈。柔模砼墙有明显倾斜变形，目测最大倾角10°左右，墙体倾斜段巷道底鼓明显，底鼓高隆处距离柔模墙1.2m 左右。同时端头区墙体有明显压碎现象，π型钢梁压弯变形，具体表现为墙体一侧压力大，煤帮整体松散破碎。

1.3 大变形机理分析

基于3406 工作面地质与开采条件，根据无煤柱开采矿压理论分析，认为造成3406 工作面轨道巷大变形的直接原因在于以下几个方面：①底鼓主要由留巷压力及采动压力造成，底鼓造成墙体倾斜，墙体倾斜后持续给底板一个向巷内的水平力，造成底板的二次挤压，进而加剧底鼓，同时倾斜角度越大，则底鼓越明显；②当前单体柱的打设角度不合理造成单体柱倾斜，支护强度不足，导致巷道变形；③墙体侧补强锚索打设角度和位置不尽合理，未能保护墙体顶角处顶煤完整性，造成顶煤台阶下沉量过大，顶板尤其是台阶下沉段顶煤随顶板向采空区方向位移，推倒墙体，加剧倾斜。

综上所述，减少3406 工作面轨道巷大变形应着重从避免墙体倾斜入手，加强墙体顶角侧顶煤的管理，同时保证单体柱支撑有力。

2 顶板注浆锚索加固设计

基于前述分析结论，设计在轨道巷顶板补打注浆锚索，实现锚索的全长锚固和破碎围岩的胶结加固，保护顶煤完整性，发挥围岩自承能力，减少台阶下沉量和帮鼓量，减轻顶煤对墙体上部的侧推力，确保3406工作面长时间停采期间轨道巷断面符合生产要求。

2.1 注浆锚索设计

针对关键部位选用SKZ22-1/1860 型号锚索进行注浆补强，该锚索屈服强度大于1640MPa，破断荷载大于1860MPa，破断力大于400kN，最大外径22.4mm，适应孔径32mm，长度8300mm，索体为中空结构，自带注浆芯管，可直接与注浆泵连接进行高压注浆。锚索布置方面如图1 所示，每排打设2 根注浆锚索，间距2000mm，排距1800mm。第1根锚索距离墙体500m 位置处打设。这样的排列方式可以保证锚索的预应力得到充分的释放，只有高预应力的锚杆（索）支护才是真正的主动支护，才能发挥锚杆（索）支护的作用。

图1 轨道巷注浆锚索加固横断面

2.2 注浆材料设计

注浆材料选择马丽散及水泥进行分情况注浆。由于到马丽散成本较高，因此利用其凝固速度快早期强度高的特点，在对结石体后期强度的龄期要求不超过3d时采用马丽散注浆。对结石体后期强度的龄期要求超过14d 时采用水泥注浆，以降低注浆成本。当采用马丽散注浆时，马丽散与催化剂配合比：体积比1∶1，重量比1∶1.17。当采用水泥注浆时，按照水灰比1∶2配制水泥浆液，同时加水泥质量8%的ACZ—II 水泥注浆添加剂，水泥采用PO52.5。每根锚索的注浆量以实际注浆量为准，注浆压力要求达到7MPa。

2.3 施工设备及工艺

当采用马丽散注浆时，采用马丽散厂家配备的化学浆液专用注浆泵。当采用水泥注浆时，选择ZBQ-8/7 型矿用气动注浆泵进行注浆加固。注浆设备的额定压力都保持在8MPa以上，流量大于7L/min。

3 底板加强支护优化设计

底鼓的专项支护如图2所示，超前工作面80m外在底板上开槽，埋设大板梁，大板梁采用直径不小于200mm 的落叶松圆木将两对称面削平而成，板梁厚度不宜小于200mm，大板梁长度根据轨道巷实际宽度现场制作。大板梁一端紧靠实体煤帮，另一端紧贴柔模墙。大板梁两端通过木板和木楔与墙（帮）楔紧，保证大板梁横撑有力，限制墙体底部向巷内位移。大板梁上预留用于固定大柱鞋的限位装置。当空间有限，施工整条大板梁困难时，可将工字钢底梁与小段大板梁对接施工，两端同样与墙（帮）楔紧。

图2 3406轨道巷支护优化设计横断面

4 其他辅助泄压方式

在3406 工作面推进过程中应保证工期快速稳定，避免工作面长时间停产。因为在留巷复用期间，保持高效生产的工作面可以将顶板侧悬臂快速甩入采空区，减轻周期来压对轨道巷夹制作用。而且轨道巷围岩经过多次采动作用，一般比较破碎，自稳能力差，流变性明显，加快推进，可避免流变作用的时间累积效应，减少变形。同时针对2406 工作面提出以下开采建议：

（1）3406工作面调伪斜，在保证工作面正常生产条件下，可适当增加溜槽，最大限度地保证轨道巷超前运输巷，超前距越大越好，减轻工作面来压对轨道巷影响，从根源上优化轨道巷应力环境；

（2）调整3406 机尾侧支架位态。一方面机尾侧支架的初撑力不应低于工作阻力的70%，另一方面机尾侧4 台支架范围内适当破底200～300mm，保证机尾侧工作面高度，刻意形成轨道巷与工作面底板高差，增加轨道巷底板应力释放通道。

（3）后续沿空留巷浇筑柔模砼墙时，墙体必须具有3°～5°迎山角，减轻留巷和复用期间的底鼓量。

（4）对于3406 工作面矿压把不稳定的区域可以对底板进行增加卸压措施。如图3 所示，在3406 工作面轨道巷底板可采取大直径卸压钻孔措施，改善巷道应力环境。图3（a）为底板泄压钻孔纵断面，钻孔每排布置3 个钻孔，排距不超过4m。钻孔沿巷道中线对称布置，中间孔沿巷道中线打设，俯角45°。图3（b）为底板泄压钻孔横断面，两侧孔沿巷道底角打设，俯角45°，并向煤帮（采空区）内水平外甩45°。该卸压钻孔直径不小于105mm，钻孔深度h≥3m；卸压孔孔口段500mm采用封孔材料封堵严实。

图3 矿压较大区域底板特殊泄压

5 结论及建议

在3406 工作面持续推进的四个月过程中，运输巷侧工作面推进了510m，轨道巷正在进行留巷的复用，轨道巷侧工作面推进了540m。巷道底鼓并无明显特征，同时为掌握专项支护措施在巷道掘进过程中的实际效果，在3406 工作面运输巷布置了监测断面用于监测顶底及两帮变形情况，巷道变形量曲线如图4所示。掘进阶段巷道在前60d变形量增加明显，随后进入稳定期，最终顶底板变形量为162mm，两帮为138mm，整体变形较小。满足矿井安全生产的要求，说明不对称锚架补强支护结构能够达到很好地控制围岩变形的效果。在推进过程中，3406工作面处于伪斜状态，采场顶板分区段垮落，覆岩悬顶面积减少超过60%，工作面来压强度降低了40%，对复用巷道顶板管理有利。

图4 工作面运输侧掘进阶段巷道变形量曲线

总体可以看出，对顶底板进行的锚索注浆支护整体有效，3406 工作面复用巷道变形可控，基本满足工作面安全生产要求。