綜放大斷面巷道沿空掘進支護設計研究

張 彪

(山西西山晉興能源有限責任公司，山西 呂梁 033602)

隨著我國煤炭開采技術的不斷進步和采掘設備的不斷升級，煤礦朝著集約化、大型化、重型化的發展方向日益前行。由此帶來的采掘銜接緊張成為困擾煤礦均衡生產的一個重要因素，其中尤以掘進銜接更為緊張[1]. 由于各采煤工作面回采周期不斷縮短，對掘進效率的要求更為迫切。在實際生產過程中，往往無法等到相鄰工作面采空區完全垮落密實，上覆巖層運動穩定，就開始相鄰工作面的掘進工作，使得巷道在掘送期間受到上覆圍巖的動載礦壓影響，引起巷道頂幫變形，更有甚者，引發冒頂事故[2-3]. 以某礦23105工作面皮帶巷為例，研究了綜放大斷面巷道沿空掘進過程中的上覆頂板運動規律，并在此基礎上進行了支護參數的設計及優化[4-5].

1 工程概況

23105工作面位于某礦二水平21采區北翼，西側為23103采空區，東側為正在回采的23107工作面，北側為實煤區，上覆為8#煤層18107、18105、18117采空區。地表為黃土梁、峁，大部分為黃土覆蓋，基巖在溝谷中有出露；地形為中低山區，地表起伏較大，山坡較陡，蓋山厚度：223～342 m.

工作面煤層平均厚度為14.5 m，煤層半亮型，條帶狀構造，內生裂隙發育，結構復雜，共含3層夾矸，層厚0.2～0.50 m. 煤層普氏硬度為2～3，傾角8.4°～10.4°，平均9.2°. 其上覆直接頂為泥巖，平均厚度為5.0 m，交錯層理偏小，較發育，基本頂為粉砂巖，平均厚度為4.0 m，巖性特征為灰白色。23105工作面皮帶巷采用EBZ-260型掘進機掘進，配套橋式轉載機、帶式輸送機運煤，在掘進機割煤結束后，首先對空頂區域進行臨時支護，然后在臨時支護條件下進行永久支護。

2 巷道地質力學測試及頂板圍巖結構強度觀測

2.1 地質力學測試

掌握23105工作面周邊的地應力水平，為23105工作面皮帶巷支護參數設計提供科學的依據。由于相鄰工作面為采空區無法進行測試，故該次地質力學測試地點選擇在距離23105工作面較近的二水平北翼皮帶大巷，測試站布置圖見圖1. 二水平北翼皮帶大巷沿頂板掘送，雖然與23105工作面皮帶巷沿底板掘送不同，但其埋深與23105工作面較為接近，可以借鑒二水平北翼皮帶大巷的地應力測試結果進行分析。

圖1 地質力學測試測站布置圖

2.2 頂板圍巖強度觀測

圍巖強度測試的目的在于掌握巷道圍巖各煤巖層的強度，為最終確定巷道支護形式提供依據。鉆孔窺視儀可以觀察頂板圍巖的結構，掌握頂板巖層的結構面特征，為確定錨桿錨索預應力水平提供依據。由于23112材料巷沿底板掘送，與23105皮帶巷掘進方式相同，因此可借鑒23112材料巷煤巖體的結構和強度測試結果進行分析。

2.3 測試及觀測結果分析

1) 測試結果分析。

根據現場實測，所測區域最大水平主應力分別為11.8 MPa、11.06 MPa，應力判別劃分見表1. 按照表1可知，所測區域為中等應力值區域，原巖應力屬于中低水平，對巷道穩定性影響較小。

表1 應力判別劃分表

對頂板10 m范圍內以及煤幫10 m范圍內的煤層進行強度測試，見圖2，圖3.

由圖2，3可以看出：

a) 頂板10 m范圍內煤層強度波動較大，頂煤強度最大為31.84 MPa，最低強度僅為9.58 MPa，平均強度為23.20 MPa，普氏系數為2.3，孔口0～2.5 m裂隙發育程度較高，因此相對應的煤層強度也低。可見，圍巖節理裂隙對于圍巖的強度具有顯著影響，除孔口位置煤層強度低外，深部煤體的強度偏高，這對于保持自身穩定性具有重要作用，頂煤的強度較高，也有利于錨索的錨固。

b) 煤幫強度測試結果顯示，煤層強度最低為11.86 MPa，最大為24.9 MPa，平均強度為17.7 MPa，幫部煤層強度整體低于頂板煤體強度，但是從圖3可以看出，煤層的均一性較好，強度波動幅度小，較為穩定，這對于維護巷道幫部的穩定性具有重要的作用。

圖2 頂煤強度測試結果圖

圖3 煤幫強度測試結果圖

2) 觀測結果分析。

測點處頂板鉆孔深度20.5 m，從鉆孔孔口位置開始對頂板巖層結構形態進行連續拍攝，頂板鉆孔窺視可以清晰地呈現各巖層巖性組成，以及節理裂隙的發育狀況，見圖4.

從圖4可得出：

a) 巷道頂板2.0 m范圍內煤層存在縱向裂隙，錨桿錨固施工均在此范圍，因此需要對錨桿的錨固性能進行檢測；而對于深部煤體，完整性好，裂隙發育程度低，錨索錨固在此范圍內錨固性能良好。

b) 總體來看，頂板20.5 m范圍內除淺部局部裂隙較為發育外，整體完整性好，僅從頂板完整性和穩定性來看，頂板的控制相對較為容易。

圖4 頂板巖層節理裂隙發育分布圖

3 巷道支護設計

3.1 支護設計原理

巷道在開挖之后，由于原巖應力平衡狀態遭到破壞，巷道圍巖中一定范圍內的松軟巖層可能發生松動和破裂現象，傳統的支護理論基于錨桿擠壓加固作用提出了組合梁、加固拱理論，基于錨索懸吊作用提出了懸吊、減跨作用。

由于本工作面皮帶巷是沿鄰近采空區掘進的，隨著掘進的不斷向前推進，巷道兩側煤柱內應力發生動態變化。受相鄰工作面采空區動載礦壓、巷道掘進和本工作面回采影響，煤柱和實體煤上方往往賦存著較大的動態支承壓力，這些高集中應力是巷道產生動壓現象的誘因，實體煤上覆應力一般為“駝峰”狀，煤柱上覆應力一般為“拱形“”狀[6]. 同時由于本工作面回采形成的超前支承壓力會在煤柱上方形成數倍于原巖應力的應力，這種應力極易導致護巷煤柱的屈服和變形，影響巷道回采期間的穩定[7].采空區周圍應力重分布圖見圖5.

1—超前支承壓力 2、3—工作面方向側向支承壓力 4—工作面后方殘余支承壓力圖5 采空區周圍應力重分布圖

根據上述分析，對本工作面巷道采用強頂強幫思路，強化幫部支護效果，使巷道頂板和幫部形成強有力的自承載支撐結構，保證巷道采掘時的穩定。

3.2 支護參數設計

按照強頂強幫支護設計思路對23105工作面皮帶巷采用高預緊力強力樹脂錨固錨索錨桿聯合支護系統進行支護。根據地質力學測試結果及以往巷道支護經驗，頂板支護采用d22 mm×2 600 mm左旋無縱筋螺紋鋼錨桿，間排距為850 mm×900 mm，錨索采用d21.6 mm×9 000 mm預應力鋼絞線，間排距為1 350 mm/1 700 mm×1 800 mm，W型鋼帶規格為280 mm×5 300 mm；工作面幫部支護采用d20 mm×2 100 mm全螺紋玻璃纖維錨桿，間排距為1 200 mm×900 mm，煤柱幫部支護采用d22 mm×2 600 mm左旋無縱筋螺紋鋼錨桿，間排距為900 mm×900 mm，錨索規格為d21.6 mm×5 500 mm預應力鋼絞線，排距為1 800 mm(每排一根)。

3.3 應用效果

通過礦壓在線監測系統分析可知，頂板下沉量最大為90 mm，煤柱側移近量最大為45 mm，實體煤側移近量最大為39 mm，礦壓在線監測圖見圖6. 經過現場工業性試驗可知，該設計取得了良好的支護效果。

圖6 礦壓在線監測圖

4 結 論

1) 通過地質力學測試可知,23105工作面皮帶巷圍巖為中等應力值區域，原巖應力屬于中低水平。

2) 通過對巷道頂、幫煤層強度觀測可知，頂煤強度較高，有利于錨索錨固，而幫部煤層強度整體低于頂煤強度。

3) 通過頂板鉆孔窺視可以看到，巷道頂板除淺部局部裂隙較發育外，整體完整性較好，裂隙發育程度低，有利于錨索的錨固。

4) 通過對巷道應力分布的分析，采用強幫強頂的支護思路，進行了巷道支護的設計。現場實測結果表明，頂板最大下沉量為90 mm，幫部最大移近量為45 mm，可滿足工作面采掘的支護需要。