杜家溝礦607 工作面沿空掘進巷道支護方案研究

謝建生

（霍州煤電集團河津杜家溝煤業(yè)有限責任公司， 山西 河津 031400）

1 礦井概況

霍州煤電集團河津杜家溝煤業(yè)有限責任公司（全文簡稱杜家溝礦）位于河津市清澗杜家溝村西北約3 km 處，礦井井田位于呂梁山脈南緣，臨汾盆地的西南山地，汾河、黃河交匯的三角地帶，井田總體地勢為東部高，西部低。現(xiàn)主要開采煤層為2 號、10號煤，10 號可采煤層厚2.85 m，平均傾角6.8°。607工作面的皮帶巷與608 工作面相鄰，之間留有20 m的煤柱，相鄰的608 工作面已回采完畢，頂板巖層處于平穩(wěn)狀態(tài)。正常狀況下，對臨近巷道的影響較小，但607 材料巷同樣與608 采空區(qū)相鄰，巷道與采空區(qū)之間留有15 m 的煤柱，受到工回采影響巷道嚴重受損，頂板支護錨桿、錨索出現(xiàn)斷裂情況，為了保障工作面的正常回采在巷道中打設了大量的錨索，導致巷道支護成本明顯提高，同時給工作面正常回采造成了影響。由于工作面開采煤層厚度大，雖然608工作面已經(jīng)采完較長的時間，但在607 工作面回采過程中會對原本已經(jīng)相對穩(wěn)定的巖層產(chǎn)生二次擾動，引起相鄰采空區(qū)頂板巖層的再次運動，對保護煤柱形成載荷沖擊，巷道圍巖破壞嚴重，因此對原巷道支護方案進行優(yōu)化非常重要。

2 巷道圍巖力學特征分析

2.1 巷道圍巖結(jié)構(gòu)分析

為得到巷道頂板內(nèi)裂隙構(gòu)造分布情況，在607工作面皮帶巷進行了現(xiàn)場監(jiān)視，根據(jù)現(xiàn)場監(jiān)視結(jié)果，可得出以下結(jié)論：

1）10 號煤層巷道多沿底板掘送，頂板為厚頂煤，巷道頂板2.0 m 范圍內(nèi)煤層存在縱向裂隙，一般狀況下錨桿錨固在此范圍；而在頂煤深部位置基本無裂隙等構(gòu)造存在，頂板整體處于穩(wěn)定狀態(tài)，錨索錨固在此范圍內(nèi)錨固性能好，當錨索錨固力達到要求時，完全可以將錨索錨固在煤層中。

2）煤層上方巖層巖性主要為泥巖與砂巖等，巖層致密堅硬，具有較好的穩(wěn)定性，裂隙等構(gòu)造極少，利于維護頂部巖體的整體穩(wěn)定性。

分析結(jié)果表明，巷道上方頂煤主要在淺部區(qū)域存在著較多裂隙，而在深部位置煤巖體均處于比較穩(wěn)定的狀態(tài)，因此對巷道頂板淺部圍巖進行合理支護即可對頂板起到較好的控制作用。

2.2 巷道圍巖強度測試

由于巷道頂板與兩幫均屬于煤體，對各位置煤體的強度進行測試可為巷道支護方案設計提供基礎性數(shù)據(jù)。對巷道的頂板和兩幫10 m 范圍內(nèi)的圍巖強度進行了測量，結(jié)果如圖1，下頁圖2 所示。從圖1，2中可以得到：

圖1 頂板煤體強度測試結(jié)果

1）頂板10 m 范圍內(nèi)煤層強度上下波動，頂煤強度最大為32.84 MPa，最低強度僅為9.58 MPa，平均強度為23.20 MPa，硬度普氏系數(shù)為2.3，同地質(zhì)資料中煤層硬度2～3 相當，孔口0～2.5 m 范圍內(nèi)裂隙發(fā)育程度較高，因此相對應的煤層強度也低，可見圍巖節(jié)理裂隙對于圍巖的強度具有顯著的影響，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(wěn)定性具有重要的作用，頂煤的強度較高，也有利于錨索的錨固。

2）煤幫強度測試結(jié)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，幫部煤層的強度整體低于頂板煤體的強度，但是通過煤層強度可以看出煤層的均一性較好，強度波動幅度小，較為穩(wěn)定，對維護巷道幫部的穩(wěn)定性非常重要。

圖2 幫部煤體強度測試結(jié)果

2.3 巷道圍巖地應力測試

通過對607 工作面皮帶巷不同位置的地應力進行監(jiān)測統(tǒng)計出地應力測試結(jié)果詳見表1。

表1 地應力測試結(jié)果

從測量數(shù)值上可以看出，該區(qū)域的原巖應力處于中等水平，對巷道產(chǎn)生較大影響的應力主要為水平應力，水平主應力的最大值為11.8 MPa，單從應力大小來講，對巷道穩(wěn)定的影響作用較小；由于該巷道的埋深約為343 m，理論計算的垂直應力約為8.55 MPa，測試結(jié)果顯示最大水平主應力＞垂直應力＞最小水平主應力，因此認為該區(qū)域應力場屬于重力型應力場。607 皮帶巷沿正北布置，最大水平主應力方向為N22.9°W-N24.1°W，可以看出，兩者的夾角在14.95°～16.6°之間，巷道的布置方位近似于最佳方向，因此水平應力的巷道圍巖的破壞幾乎不產(chǎn)生影響。

3 巷道支護方案的優(yōu)化設計

3.1 原支護方案

該巷道斷面形狀為矩形，巷道寬×高：5.5 m×3.8 m，巷道原支護方案。

1）頂板錨桿采用直徑22 mm、長度2 600 mm 的左旋無縱筋螺紋鋼錨桿，錨桿的間距為850 mm，相鄰兩排錨桿距離為900 mm；兩幫錨桿采用直徑20 mm、長度2 100 mm 的全螺紋玻璃鋼錨桿，兩幫錨桿采用相同的布置方法，間距為1 200 mm，相鄰兩排錨桿距離為900 mm。

2）頂板錨索采用三花布置方法，錨索為直徑21.6 mm、長度12 000 mm 的鋼絞線，同一排內(nèi)的錨索之間距離為3 400 mm，相鄰兩排錨索之間的距離為1 800 mm。

3）采用W 鋼帶對頂板進行保護，鋼帶的長度設計為5 300 mm、寬度為250 mm、厚度為3 mm。

對原支護方案分析可知，原支護方案可對頂板有效控制作用，但對兩幫的支護強度較低，無法控制兩幫變形，由于巷幫的支護多采用玻璃鋼錨桿，支護強度低，護幫能力差，在來壓時易發(fā)生剪切破壞，對于動壓巷道而言，幫部支護尤其重要，幫部控制不住會引起頂板的控制難度大大增加，動壓巷道很重要的一個表現(xiàn)就是巷幫變形大，當巷幫發(fā)生水平移動時，非常容易引起頂板和底板的水平擠壓變形，巷道底板還易發(fā)生底鼓；同時頂板在水平擠壓過程中，還易導致鋼帶折斷、錨桿破斷等問題，加強對幫部支護非常必要。

3.2 巷道支護方案優(yōu)化設計

根據(jù)上述分析，本支護方案將對兩幫進行加強支護，優(yōu)化原有支護方案，具體支護方案如下：

1）頂板錨桿支護參數(shù)不變，主要對錨索進行優(yōu)化，錨索采用直徑為21.6 mm，長度為8 300 mm 的高強度低松弛預應力鋼絞線，每排布置4 根錨索，間排距為1 700 mm×1 800mm。W 鋼帶參數(shù)保持不變，采用長度5 300 mm、寬度250 mm、厚度3 mm 的W 鋼帶進行護頂。頂板在原有支護系統(tǒng)中加入菱形金屬網(wǎng)進行護頂，網(wǎng)片大小為6 500×1 000 mm，網(wǎng)孔大小為50 mm。

2）鑒于原支護方案對兩幫的支護強度低，需對兩幫進行加強支護。巷道兩幫分別為煤柱側(cè)煤幫與工作面幫，對兩幫分別采用不同的支護方案。第一，煤柱側(cè)煤幫。巷道保護煤柱在受到多次采動影響下，煤柱容易出現(xiàn)失穩(wěn)情況，所以對煤柱幫支護強度需進行提高。巷道實體煤幫采用直徑22 mm、長度2 600 mm 的左旋無縱筋螺紋鋼錨桿，每排布置4 根錨桿，錨桿之間的距離為900 mm，相鄰兩排的距離為900 mm，靠近頂?shù)装宓膬筛^桿與水平夾角為10°。對巷道實體煤幫采用錨索進行補強支護，同時采用W 護板與菱形金屬網(wǎng)進行護幫。錨索采用直徑17.8 mm、長度4 300 mm 的高強度低松弛預應力鋼絞線，每排布置一根錨索，每排錨索之間的距離為1 800 mm，垂直于巷幫布置。W 護板長度為400 mm，寬度為280 mm，厚度為3 mm。菱形金屬網(wǎng)網(wǎng)孔大小為50 mm，網(wǎng)片大小為2 800 mm×1 000 mm。第二，工作面煤幫。巷道工作面煤幫受到相鄰采空區(qū)影響較小，因此錨桿規(guī)格參數(shù)不變，僅在原有支護方案基礎上加入W 護板進行補強支護。W 護板長度為400 mm，寬度為280 mm，厚度為3 mm。上述巷道支護方案布置如圖3 所示。巷道在支護過程中應定期對錨桿、錨索的錨固力進行測量，保證巷道支護的強度。

圖3 巷道支護方案布置圖（mm）

3.3 效果分析

優(yōu)化后通對巷道20 d 內(nèi)的圍巖變形量進行動態(tài)監(jiān)測，支護后7 d 內(nèi)圍巖變形量呈現(xiàn)增長狀態(tài)，并且增長速度較快，隨后圍巖變形逐漸穩(wěn)定，變形量基本不變。此時巷道頂?shù)装遄冃蔚姆逯禐?17 mm，兩幫變形的峰值為78 mm。表明巷道圍巖變形量小，支護穩(wěn)定性高。巷道圍巖變形量監(jiān)測結(jié)果如圖4 所示。

圖4 巷道圍巖變形量監(jiān)測結(jié)果

4 結(jié)語

通過對607 工作面的圍巖特征進行監(jiān)測與分析，表明巷道圍巖淺部節(jié)理裂隙較多，但深部圍巖構(gòu)造發(fā)育較少，煤巖體完整性較好，巷道對頂板控制要比對兩幫控制更加容易。采用兩幫設計的方式對原有的支護方案進行優(yōu)化設計，動態(tài)監(jiān)測結(jié)果顯示巷道圍巖的形變量得到有效控制，證明該支護方案取得顯著效果。