煤礦傾角變化帶巷道支護及現場實測

馬金海

（山西省大同煤礦集團馬道頭煤業有限公司， 山西 大同 037100）

引言

近些年來，隨著采煤技術、采煤工藝以及綜采設備自動化水平的不斷提升，工作面采煤效率不斷提高。目前我國淺部及易開采的煤層已所剩無幾，大部分地區的煤層埋藏較深且地質條件相對復雜，因而對其開采技術和支護水平提出了更高的要求。尤其是煤層傾角變化大、巷道斷面形狀不同導致工作面的支護難度較大，支護效果不佳嚴重制約了該類型工作面的開采進度[1]。因此，需對傾角變化煤層的巷道支護進行研究，為該類型煤礦的安全生產奠定基礎。

1 工程概況

本文以某礦11853工作面為研究對象，該工作面的地面標高為31.5 m，綜采工作面位于地下530～710 m之間，工作面地表為農田溝渠。該工作面煤層厚度為0.25～3.7 m，平均煤層厚度為2.5 m；煤層傾角范圍為5°～30°，平均傾角為17°，屬于傾角變化煤層，而且在煤層西南部的傾角變化較大，平均傾角為19°，其拐點位置傾角為13°。該工作面煤層的頂底板情況如表1所示。

分析表1可知，該煤層所處工作面的結構相對簡單；工作面水源為頂板、底板砂巖水和冷凝水，說明工作面煤層在掘進過程中涌水量變化不大。經監測可知，工作面的正常涌水量為5 m3/min。值得注意的是，在該工作面的底部儲水量相對豐富[2]。因此，在掘進和開采過程中應加強對工作面底部水的疏排工作。

為了確保傾角變化煤層的支護效果，需對不同煤層傾角下巷道的變形和破壞規律進行研究。本文采用數值模擬的方法對不同煤層傾角下的情況進行仿真分析。

表1 工作面頂底板情況

2 不同煤層傾角下巷道變形及破壞規律的分析

2.1 仿真模型的設計

基于FLAC軟件對不同煤層傾角下巷道的變形和破壞規律進行仿真分析，所分析的煤層傾角包括0°、10°、20°、30°以及40°，各個模型具有以下特點：

1）上述仿真模型均是基于莫爾-庫倫模型所搭建的，其物理模型均為彈塑性模型；

2）在仿真過程中忽略裂隙和軟弱夾層對煤層頂底板強度的影響；

3）設計各個傾角工作面的巷道為正方形形狀的巷道，其水平寬度為80 m，垂直寬度為80 m；

4）基于煤層工作面實際情況及相關理論基礎，為各個模型添加載荷。其中，模型上邊界的載荷為覆巖的自重，下邊界載荷為垂直位移的載荷[3]。

2.2 仿真結果的分析

基于上述五個模型對不同傾角下巷道的變形量和破壞狀態進行仿真分析，總結出如下結論：

2.2.1 不同煤層傾角下圍巖應力的變化規律

1）隨著煤層傾角的增加，巷道上幫的水平和垂直應力逐漸向巷道上方集中；

2）巷道頂底板的水平應力變化趨勢與煤層傾角變化無關，其水平應力始終呈現拱形的變化趨勢，且水平應力的最小值為原巖應力；

3）巷道頂底板的垂直應力變化趨勢同樣與煤層傾角變化無關，其垂直應力始終呈現拱形的變化趨勢，且水平應力的最小值為原巖應力；

4）巷道頂板的垂直應力在其距離頂板7.5 m處的位置為臨界點。當距離頂板的距離小于7.5 m時，巷道頂板的垂直應力增長較快；當距離頂板的距離大于7.5 m時，巷道頂板的垂直應力增加變緩。

2.2.2 不同煤層傾角下巷道圍巖位移的變化規律

工作面頂板的變形隨著傾角的增大而變小，底板的變形范圍隨著煤層傾角的增大而變小，底板底鼓量隨著煤層傾角的增大而增加，導致上幫的變形量大于下幫。因此，針對煤層傾角較大的情況，需加強對底板上幫的支護[4]。

3 傾角變化煤層的巷道支護及現場實測

3.1 傾角變化煤層的巷道支護

目前，應用于工作面最為廣泛的支護方式為錨桿支護。因此，本工作面也采用錨桿支護，并根據煤層情況對其錨桿支護參數進行設計，以達到最佳的支護效果。錨桿間距和錨桿的長度是錨桿支護的兩項主要參數，為確定錨桿間距和錨桿長度，本文基于“控制變量”的原則對不同錨桿間距和錨桿長度下工作面頂底板位移的變化情況進行模擬分析。經模擬分析可知：

在錨桿間距一定的情況下，隨著錨桿長度的增加工作面圍巖的變形量越小；在錨桿長度一定的情況下，隨著錨桿間距的減小工作面圍巖的變形量越小[5]。錨桿長度為2.2 m時是對圍巖變形控制的臨界點，即，當錨桿長度小于2.2 m時，隨著錨桿長度的增加對圍巖變形的控制效果越好；當錨桿長度大于2.2 m時，隨著錨桿長度的增加對圍巖變形的控制效果越差。因此，最佳錨桿長度為2.2 m。

確定錨桿長度后，經模擬分析可知：當錨桿間距大于0.8 m時，隨著錨桿間距的增大，其對圍巖變形的控制效果變差。因此，選擇錨桿間距為0.8 m。頂錨桿和幫錨桿的類型選擇無縱筋螺紋鋼錨桿。

錨桿參數確定后，對應的頂板和兩幫的錨固參數如下：頂板和兩幫的錨固長度為1 359 mm；頂錨桿的預緊力不小于30 kN;幫錨桿的預緊力不小于20 kN；錨索間距為3.2 m，預緊力為65 kN。

3.2 巷道支護的現場實測

將本文所研究工作面的煤層按照3.1所示的支護參數進行支護后，在現場設立三個觀測點對其支護效果及礦壓進行觀測。主要觀測巷道頂底板的位移量，具體觀測結果如下：

1）巷道頂底板的最大位移量為410 mm，兩幫的最大位移量為660 mm，最大底鼓量為23 mm，且工作面巷道圍巖的移近量主要發生于實時工作面前方的30 m范圍之內；

2）工作面巷道兩幫的位移量明顯大于頂底板的位移量，且巷道各處位置變形速度最大為上幫，其次為下幫，而后為底板，最小變形速度位置為頂板。

4 結論

近年來，我國埋藏淺、易于開采的煤層大部分已被開采，剩余尚未開采的煤層具有埋藏深、煤層傾角變化大等特點，導致傳統適用于普通煤層工作面的支護方式不再適用。為保證針對煤層傾角變化工作面的支護效果，深入對煤層傾角支護效果的理論分析和實踐應用效果觀測，為今后更加惡劣、復雜工作面煤層的開采提供指導。