東峰煤礦大斷面全煤巷道圍巖控制研究

趙 云

（山西蘭花集團東峰煤礦有限公司，山西 晉城 048000）

0 引言

隨著我國煤炭開采技術與裝備的發展，采煤工作面高度不斷加大，工作面配備的采煤機、刮板輸送機以及液壓支架運輸尺寸增大的同時，工作面煤炭產量也在不斷升高，工作面皮帶尺寸加大，工作面需風量增大[1]。這就對巷道的斷面提出了新的要求，必須在巷道寬度與高度方面有一定的拓展[2]。在巷道跨度增加之后，圍巖應力增大，圍巖失穩破壞，嚴重影響巷道安全使用。眾多學者針對這一問題，進行了廣泛的研究。學者王成[3]針對成莊礦5312工作面大斷面回風巷受工作面動壓擾動失穩問題，利用數值模擬與理論分析的方法，對大斷面巷道圍巖的失穩破壞與巷道圍巖運移非對稱性機理進行了分析，并提出了新的錨索網聯合支護方案，縮短了錨桿、錨索間排距，增加了錨索的長度。改進支護方案在該巷道進行應用之后，巷道圍巖得到了良好的控制，保障了巷道的安全高效應用。學者李雪佳[4]基于上灣礦12105大采高工作面大斷面回風順槽支護的工程實際，采用FLAC3D數值模擬軟件對大斷面巷道跨度影響進行了研究，結合理論分析提出了新的合理的支護方案，并得到現場應用，取得成功。但現有研究主要集中于理論與數值模擬部分，不能夠產生普適結論，在解決具體礦井問題時，還必須針對具體生產實際進行研究。

本文依托東峰煤礦生產實際，實地調研巷道地質與巷道斷面該礦。理論分析巷道跨度與巷道煤層強度對巷道圍巖穩定性的影響，并對錨桿、錨索的設計參數進行設計，并進行了現場應用。并通過現場鉆孔窺視與巷道表面位移監測，對支護形式進行效果判定。

1 工程概況

1.1 地質條件

東峰煤礦3#煤厚平均厚度5.93m，局部有1～2層塊狀夾矸。該工作面煤層為近水平、厚煤層、穩定煤層，傾角為1°～7°，煤層構造整體為單斜構造，斷層與陷落柱零星分布，煤層地質與水文地質條件簡單。該煤層最大埋深為391m，最小埋深為248m。煤層頂底板情況，見表1。

表1 煤層頂底板情況表

1.2 巷道概況

3201軌道順槽沿3號煤層底板掘進，為有效保障綜采放頂煤工作面支架以及可伸縮皮帶運輸機的順利安裝，設計該巷道為矩形斷面，凈寬為5.0m，凈高3.3m，斷面積16.5m2；掘進寬度5.2m，掘進高度3.4m，掘進斷面積17.68m2，為全煤巷道。

2 大斷面全煤巷道失穩理論分析

2.1 巷道跨度影響

開挖巷道之后，破壞了巷道周圍圍巖的地應力原有分布，引起地應力的再分布。當巷道埋深較小，水平應力不明顯，這時巷道收到水平應力有限，巷道頂板受到明顯拉破壞作用，巷道頂板極易形成散體垮落拱結構，如圖1所示。頂板破壞高度計算見式（1）、式（2）、式（3）、式（4）。

圖1 拱線與巷道力學模型

通過式（1）和式（2）可以看出，跨落拱隨巷道跨度增大而升高，故頂板需要的支護強度增大。

2.2 巷道圍巖強度影響

由于3#煤層厚度較大，導致巷道頂板以及兩幫圍巖全部為煤層，由于煤層強度較弱，在巷道開掘后引起巷道周圍應力重新分布后以及工作面回采時的采動應力影響。煤層失穩破壞后，殘余應力過小，難以形成穩定的承載結構，巷道頂板中部與巷道兩角等應力集中部位，極易發生拉破壞與剪破壞，對巷道穩定產生嚴重的影響。

3 巷道支護方案提出

為有效減小巷道跨度加大后帶來的影響，結合相鄰礦井3#煤層巷道支護設計時，巷道間排距過大，導致支護失效的失敗經驗。必須適當減少巷道支護時錨桿的間排距，同時應當將錨桿與錨索錨固段固定于穩定巖層中，防止錨桿與錨索失效。初步設計巷道支護參數為：頂部每排采用六根高強錨桿支護，兩根錨索補強。錨桿型號Φ20～2200mm，間距900mm，排距1000mm，兩頂角錨桿與巷道輪廓成10°～30°角，中間四根與巷道頂板垂直，每根錨桿使用2支錨固劑，先安裝一支K2335型錨固劑，再安裝一支Z2360型錨固劑，錨桿預緊力矩不小于100N·m，錨固力不小于 100kN。錨索型號 Φ17.8～8400mm，間距2200mm，排距2000mm，距兩幫1400mm，每根采用三支錨固劑，先安裝一支K2335型錨固劑，再安裝兩支Z2360型錨固劑，預緊力為120kN；巷道兩幫采用五根普通錨桿進行支護，錨桿型號Φ16-1800mm，間距750mm，排距1000mm。兩上幫錨桿與巷道水平成10～15°角，兩下幫錨桿與巷道水平成-10°角，每根錨桿使用一支Z2360型錨固劑，錨桿預緊力矩不小于100N·m，錨固力不小于100kN。巷道具體支護形式見圖2。

圖2 3201工作面軌道順槽支護方案

4 巷道支護效果監測

為檢測巷道支護效果，在3201工作面軌道順槽掘進完成后，進行了鉆孔窺視，對巷道圍巖狀況進行了觀測，見圖3。在3201工作面回采期間，對工作面前方巷道表面位移進行了監測見圖4。

圖3 3201工作面軌道順槽頂板窺視

在圖3中，可以看出，巷道表面0～2m范圍之內，圍巖整體性較好，可見錨桿錨索與圍巖形成了一定的穩定的支撐結構，保障了巷道的安全高效使用。

由圖4（a）巷道頂底板相對移近量圖，可以看出，軌道順槽頂底板最大移近量為128.5mm；由圖4（b）巷道兩幫移近量可以看出，巷道軌道順槽兩幫移近量最大為31.7mm。巷道變形量均在巷道安全使用范圍之內，由此可見，該種支護方式對東峰礦3201工作面軌道順槽大斷面巷道圍巖穩定性起到了控制作用。

5 結 論

大斷面巷道以其高效率與高通風量受到煤礦的歡迎。在大斷面全煤巷道掘進后，由于受到原巖應力集中與采動擾動影響，其大跨度與圍巖強度較弱的原因，增加了巷道圍巖失穩的可能性。在適當減少巷道錨桿、錨索間排距并增加長度后，設計了巷道支護方案，在現場應用后，巷道表面0～2m圍巖穩定，在工作面回采時巷道頂底板最大移近量128.5mm，兩幫最大移近量31.7mm滿足巷道安全使用要求，巷道支護方案起到了作用。