大斷面傾斜煤巷支護優(yōu)化研究與應用

梁 哲

（山西省長治經(jīng)坊煤業(yè)有限公司，山西 長治 047100）

同樣的巷道寬度，傾斜頂板巷道暴露長度比矩形巷道大許多，頂板傾斜角度大時，頂板巖層自重應力和離層阻力有一定角度，頂板巖層支護結(jié)構(gòu)還會產(chǎn)生一定的下滑力。因此，形成這種條件下頂板和兩幫的非對稱破壞特征。本文對此斜頂巷道圍巖變形機理進行了分析，為相似地質(zhì)條件的巷道提供借鑒價值。

1 工程背景

山西長治華晟榮煤礦051508工作面位于五采區(qū)南翼四區(qū)段，工作面布置如圖1所示。根據(jù)地質(zhì)勘探資料可知，本煤巷所屬采區(qū)范圍地質(zhì)條件相對較為簡單，所采15號煤層平均厚度3.18m，平均傾角13°。15號煤層偽頂為泥巖，厚度0.2m，直接頂為粉砂巖，厚度1.72m，基本頂為中砂巖和細砂巖，其中中砂巖厚度12.41m，細砂巖厚度4.75m。直接底為粉砂巖和煤線，其中粉砂巖厚度1.31m，夾煤線，基本底為細砂巖，厚度3.92m。

圖1 051508工作面位置示意圖

2 原有支護參數(shù)

15號煤層整體是一單斜構(gòu)造，平均傾向116m，平均傾角13°，巷道采用沿頂板掘進形式，因而051508機軌合一巷道設(shè)計為異矩形巷道，巷道設(shè)計寬度為4800mm，上幫高3320mm，下幫高2300mm，中高2810mm，采用錨桿、鋼筋網(wǎng)、鋼帶、錨索聯(lián)合支護。具體支護方案如圖2所示。

圖2 051508機巷原有支護方案

頂板錨桿為Ф20×2500mm的左旋無縱筋螺紋鋼錨桿，間排距770×900mm，每排7根，靠煤柱幫側(cè)的角錨桿與上幫距離144mm，靠下幫側(cè)的角錨桿與下幫的距離為143mm?？拷鼉蓭吞庡^桿與頂板呈60°，其余錨桿垂直頂板布置。錨索選用Ф17.8×7000mm的單體錨索，每排2根，間排距1800×2700mm。2根錨索均垂直頂板布置。

上幫支護錨桿型號選用Ф18×2000mm鋼筋錨桿。一排布置2根錨桿，錨桿間排距1000×900mm，上部錨桿距頂板400mm。錨桿垂直巷幫布置。下幫支護錨桿型號選用Ф18×2000mm鋼筋錨桿。一排布置3根錨桿，錨桿間排距1000×900mm，上部錨桿距頂板400mm。錨桿垂直巷幫布置。

3 傾斜煤層巷道圍巖力學模型

根據(jù)斜頂巷道斷面及其圍巖賦存特征，建立如圖3所示的傾斜頂板巷道圍巖非均布載荷結(jié)構(gòu)力學模型。

圖3 巷道頂板圍巖受力分析圖

式中：

Li-機巷兩幫失穩(wěn)所增加的頂板實際懸露跨度值，設(shè)巷道下幫側(cè)頂板懸露跨度為L1，巷道上幫側(cè)頂板懸露跨度為L2，m；

q(x)-巷道頂板受到上覆巖層的非均布載荷，N/m；

H-直接頂?shù)挠嬎銓挾?，m；

2l-煤巷的寬度，m；

Hi-巷道中心線位置的高度，m；

γ-巷道的頂板傾角，（°）；

φ-煤層的內(nèi)摩擦角，（°）；

a-巷道下幫高度，m；

b-巷道上幫高度，m。

由（1）式可知，當巷道煤幫軟弱失穩(wěn)時，導致頂板的實際懸露長度加大，而實際懸露長度的增加帶來的不僅是支護難度的增加，更會導致頂板巖梁拉應力急劇增加。這亦解釋了兩幫失穩(wěn)時，會加劇頂板的破壞程度。因此，巷道圍巖控制應加強對兩幫的控制。此外，Li表明傾斜頂板巷道兩側(cè)增加的懸露長度不同，在支護設(shè)計時應充分考慮。由（3）、（4）式可知，a為下幫高度要小于上幫高度b，且正弦值 sin（45° +γ-φ）小于 sin（45° +γ+φ），可以得出上幫側(cè)頂板所需要的控制懸露跨度明顯大于下幫側(cè)頂板控制懸露跨度，頂板兩側(cè)形成顯著的不對稱性分布。

4 傾斜煤層巷道支護優(yōu)化方向

通過對051508機巷力學分析可知，巷道的兩幫及頂板承載力呈現(xiàn)非對稱性分布，參照以往煤巷開掘的支護方案和經(jīng)驗，采用煤巷錨桿索聯(lián)合支護技術(shù)，主要對原方案頂板錨桿、兩幫底角關(guān)鍵部位和錨桿索間排距三點進行重點優(yōu)化，在實現(xiàn)維護巷道頂板圍巖穩(wěn)定的前提下，又能同時起到節(jié)省材料，增加經(jīng)濟效益的目的。

4.1 優(yōu)化支護方案

優(yōu)化方案優(yōu)先選用礦方原有的支護材料，采用錨桿、鋼筋網(wǎng)、鋼帶、錨索聯(lián)合支護，具體支護形式如圖4所示。

圖4 051508機巷不對稱支護優(yōu)化方案

頂板錨桿規(guī)格參數(shù)為Ф20×2400mm的左旋無縱筋螺紋鋼錨桿?？拷蠋吞庬斀清^桿與頂板呈70°，靠近下幫處頂角錨桿與頂板呈60°，其余錨桿垂直頂板布置。錨索規(guī)格選用Ф17.8×6500mm的單體錨索，單體錨索采用每排2根的布置方式，間排距為1600mm×2850mm，鉆孔深度為6250mm。2根錨索均垂直頂板布置。

上幫支護錨桿一排布置3根，錨桿間排距1000×950mm，上部錨桿距頂板400mm。頂板處錨桿向上傾斜10°，底板處錨桿向下傾斜10°，其余垂直布置。下幫支護錨桿一排布置2根，錨桿間排距1000×950mm，上部錨桿距頂板400mm。頂板處錨桿向上傾斜10°，底板處錨桿向下傾斜10°，其余垂直布置。

4.2 實踐效果

采用優(yōu)化支護方案后，在觀測的近兩個月中，巷道斷面收斂率與原有支護條件下基本一致，兩幫移近量最大不超過220mm，頂板下沉量最大不超過200mm，能滿足巷道行人運輸需求，巷道圍巖控制效果較好。頂板離層監(jiān)測結(jié)果表明，頂部松動離層值很小，頂板處于穩(wěn)定狀態(tài)。

5 結(jié)論

（1）傾斜煤層巷道的上幫煤體破碎程度相對嚴重，頂板上幫側(cè)圍巖強度相對下幫側(cè)較低，圍巖完整性相對較差，建立力學模型分析出上幫側(cè)頂板控制懸頂面積明顯大于下幫，因此需承受更大范圍的圍巖應力。通過對現(xiàn)場調(diào)研及理論分析結(jié)果，提出優(yōu)化方案方向和著重支護范圍。

（2）在優(yōu)化支護方案實施后，應礦方需求對巷道進行了近2個月的礦壓觀測，結(jié)果表明優(yōu)化后的支護方案起到了很好的控制該類巷道圍巖穩(wěn)定性的效果。