厚煤層回采巷道支護(hù)方案優(yōu)化

李慶芳

（潞安環(huán)能股份公司常村煤礦，山西 長治 046102）

隨著礦井煤機裝備水平的不斷提升，厚煤層開采所需的巷道斷面積不斷擴大，巷道支護(hù)形式也從單純被動支護(hù)的工字鋼棚向主動支護(hù)的錨桿索發(fā)展[1-2]，所有支護(hù)方法的主要目的就是保證巷道圍巖穩(wěn)定性[3-4]。故錨桿索的支護(hù)材料和支護(hù)參數(shù)的選擇變得尤為主要。

1 工程背景

常村煤礦22采區(qū)2206工作面位于官莊村東部，老軍莊村西部工作面標(biāo)高為+470.4～ +514.6m，埋藏深度為428.2～479.5m之間。2206工作面可采長度576m，傾斜長300m，煤層平均煤厚5.95m，工作面平均煤層傾角7°，工作面采高3.3m。2206工作面所采3#煤層位于山西組的中、下部，煤層賦存穩(wěn)定。其中2204工作面已回采結(jié)束，即將開采的是2206工作面。見圖1。

圖1 礦井工作面布置圖

2 回采巷道原支護(hù)方案

2204運輸巷沿底板掘進(jìn)時，按照巷道原支護(hù)方案，錨桿采用Φ18mm×2m的左旋無縱筋螺紋鋼等強錨桿，錨索采用Φ22mm×5.5m規(guī)格的鋼絞繩，巷道變形嚴(yán)重。掘巷期間，由于厚煤層巷道留有頂煤導(dǎo)致迎頭出現(xiàn)多次冒頂事故，冒頂高度最大達(dá)到10m。回采期間，巷道頂板變形嚴(yán)重，最大下沉量達(dá)700mm，鋼帶翻轉(zhuǎn)撕裂，錨桿索脫落失效，頂板支護(hù)元件破壞更加嚴(yán)重；兩側(cè)巷幫向內(nèi)收斂，部分錨桿失效；由于底板無任何力的約束，故底板中部會出現(xiàn)較大程度的隆起（圖2）。

對于巷道存在頂?shù)装逡平看蟆⒚罕谄瑤蛧?yán)重、支護(hù)參數(shù)不合理等問題（圖3）。經(jīng)過調(diào)研分析，主要因素是工作面埋深大，煤層附近未開展地應(yīng)力測試，垂直應(yīng)力和水平應(yīng)力分布特征不清楚，沒有形成對巷道快速掘進(jìn)具有指導(dǎo)性的工程地質(zhì)力學(xué)評估，給巷道支護(hù)設(shè)計帶來較大困難。巷幫自穩(wěn)性能很差，成型困難；兩幫的煤體會出現(xiàn)較大的應(yīng)力集中，從而加劇巷道的不穩(wěn)定性。巷道斷面大，跨度大，頂板易發(fā)生撓曲變形，形成離層等不協(xié)調(diào)變形。

錨桿索聯(lián)合支護(hù)時，離層臨界值為：

掘進(jìn)巷道初期變形較小，隨著時間增加，巷道頂部和兩幫煤體受到拉剪應(yīng)力的影響，巷道圍巖變形量繼續(xù)增加，煤體內(nèi)部裂隙發(fā)育，回采期間頂板和兩幫出現(xiàn)較大變形，其中巷道厚頂煤支護(hù)過程中的安全性難以得到有效保障。

圖2 巷道圍巖變形嚴(yán)重

圖3 錨桿索失效圖

為保證工作面的正常生產(chǎn)，需要對離切眼較近的巷道進(jìn)行一定量的擴幫，對超前支承壓力較遠(yuǎn)的部分進(jìn)行錨桿索補強，一些片幫嚴(yán)重區(qū)域進(jìn)行注漿作業(yè)。

3 回采巷道新支護(hù)方案

2206工作面運輸平巷設(shè)置為矩形斷面，沿底掘進(jìn)，巷道寬5.0m，高3.3m。采用高預(yù)緊力讓壓錨桿+雙鋼筋托梁+W鋼護(hù)板+金屬經(jīng)緯網(wǎng)+錨索聯(lián)合支護(hù)，錨索布置形式為三花布置。巷道頂板每排布置6根錨桿，間排距900 × 1000mm；布置三根錨索，1m一排；鋼筋網(wǎng)規(guī)格為Φ6.5×5400×1100mm，錨索間距為1300mm。巷道幫部兩側(cè)每排各布置4根錨桿，間排距1000×1000mm，全斷面采用3300×1100mm菱形金屬網(wǎng)支護(hù)，每根錨桿使用1支CK 2370樹脂藥卷，每根錨索深部上2支CK 2370樹脂藥卷（圖4）。

圖4 巷道錨桿索布置圖

在合理的錨桿預(yù)緊力的作用下錨桿通過補強及協(xié)調(diào)變形兩個作用抑制頂板變形。在應(yīng)力大的條件下，高預(yù)拉力的低強錨桿比無預(yù)拉力的高強錨桿會起到更好的支護(hù)效果。高預(yù)緊力錨桿旨在建立連續(xù)梁的頂板，以克服高應(yīng)力對頂板穩(wěn)定性的影響，實現(xiàn)頂板剛性梁或似剛性梁，消除拉伸區(qū)，同時降低巷道兩側(cè)的應(yīng)力集中系數(shù)。

簡化后連續(xù)梁情況下的頂板撓度公式：

式中：

L-巷道寬度，m；

H-埋深，m；

b-梁寬，m；

h0-底層巖層厚度，m；

l-錨桿長度，m；

R-錨桿直徑，m；

Da、Db-錨桿間、排距，m；

P-錨桿支護(hù)應(yīng)力，MPa；

r=2.5×104N/m3；

E巖=2×104MPa；

E鋼=200GPa。

錨桿的作用在于給頂板提供很高的初撐力以形成連續(xù)頂板，連續(xù)梁頂板本身形成了一個壓力自承結(jié)構(gòu)。錨桿桿體本身不是承載結(jié)構(gòu)，通過足夠長的錨索懸吊在穩(wěn)定巖層中，保持巷道穩(wěn)定性。

4 現(xiàn)場工程實踐

如圖5所示對2206工作面運輸平巷掘進(jìn)期間的頂?shù)装逡七M(jìn)量和兩幫移進(jìn)量進(jìn)行監(jiān)測分析研究。通過十字測量法進(jìn)行測量，第1～15d的巷道變形速率快，第16～24d巷道變形速率趨于平滑，第25d之后巷道變形保持穩(wěn)定。運輸平巷采空區(qū)側(cè)巷道變形量為158mm，較原支護(hù)方案減少240mm；實體煤側(cè)巷道變形量為70mm，較原方案減少120mm；巷道頂板的最大變形量126mm，比原方案降低370mm。通過優(yōu)化后的支護(hù)方案和參數(shù)可有效控制巷道圍巖變形量。

5 結(jié)論

通過優(yōu)化原始支護(hù)方案和支護(hù)參數(shù)，在現(xiàn)場工程實踐中，頂板和兩幫變形量都有明顯降低，證明新方案對2206工作面運輸平巷圍巖控制有較好的效果。

圖5 巷道變形量監(jiān)測圖