大傾角軟厚煤層巷道圍巖控制技術探討

高懷俊

（山西潞安集團潞寧孟家窯煤業公司，山西 忻州 036000）

1 工程概況

孟家窯礦井11505 工作面位于11 采區，開采5號煤層。工作面平均埋深400 m，工作面西北為11507 工作面、西部為采空區、東部為回風上山、南部為11503 工作面。11505 工作面煤層構造簡單，平均傾角為24°，屬于大傾角煤層，煤層平均厚度11.5 m。工作面采用放頂煤開采，割煤高度3.5 m，采放比1∶2.3。設計工作面長150 m，放煤步距為0.8 m，放煤方式為“一刀一放”，日循環進度2.4 m。采空區采用完全垮落法管理頂板。11505 綜放面頂板為軟弱、半堅硬互層的巖層，巖性變化較大，工程地質條件相對較差；下伏底板硬度同樣較小，多是砂質泥巖、粉砂巖互層，巖層穩定性較難控制。

11505 綜放面膠帶順槽斷面為矩形，寬度為5.0 m、高度為3.3 m，沿煤層底板掘進。在周圍礦井開采工程實踐中，受煤層厚度大、傾角大、埋深大、煤質較軟等影響，相鄰工作面開采動壓和本工作面擾動對工作面順槽造成不利影響，導致巷道圍巖出現剝落，頂底板向內變形，巷道完整性無法得到有利保證。因此，探討大傾角軟厚煤層情況下，工作面順槽的穩定性機理與控制措施，已經成為11505 綜放面安全生產亟需解決的問題。

2 巷道穩定性分析

對大傾角軟煤巷道頂底板及幫部的受力情況進行詳細分析，見圖1。在大傾角作用下，頂板軸向擠壓力增大，導致其撓度趨勢增加，由于頂板巖層性質多為軟弱巖體，抗變形能力較小，導致煤層頂板極易出現離層現象；在巷道兩幫位置，由于煤體內聚力和內摩擦角較低，左右兩幫受力情況不同，導致兩幫煤壁均出現內生裂隙，嚴重時會出現剪切破壞斷裂成一條裂縫，當裂縫發育范圍大于相對穩定臨界高度時，巷道整體穩定性就會被破壞，巷道上方及周圍煤巖體從滑移面處脫落；巷道底部受力情況與頂板相似，地腳位置處出現應力集中，同時受向內的擠壓力而導致底板鼓起變形。圖中FR為頂板兩端的支撐力，FN為頂板所受軸力，Me為頂板兩端所受扭矩，q為頂板所受均布載荷，ω為頂板撓度，l、α分別為頂板寬度與傾角，ABCD區域為不穩定區域，CDE為穩定區域，HW為相對穩定臨界高度，q0為幫部滑動巖塊所受均布載荷，β為滑動面與豎直方向夾角，q1為巖層所受均布載荷，q2為相鄰巖層的阻力載荷，l1為梁的長度，ω1為底板巖層撓度，α＇為巖層傾角。

從巷道受力整體來看，大傾角煤巷的條件下，由于傾角較大、煤體較軟，巷道兩幫易形成非對稱破壞狀態，頂板與傾斜方向上部位置的巷幫變形最為嚴重，是巷道控制的關鍵部位。因此，降低巷道整體的受力和對巷道整體圍巖進行加固是控制大傾角軟厚煤層巷道的有力途徑。本文擬采用留設保護煤柱和錨桿索耦合支護的方式進行巷道控制。

圖1 大傾角巷道受力分析

3 圍巖控制技術

3.1 留設煤柱

11505 膠帶順槽與11503 回風順槽間的工作面保護煤柱應該能夠保證自身完整性，盡量處在應力較低區域內，同時能夠滿足安設錨桿索的需要，能夠承受多次采動影響，還能保證資源采出率。根據當前較流行的煤柱寬度計算方式，見圖2。其中B為留設煤柱寬度，x1為采空區側塑性區寬度，x2為巷道側塑性區寬度，x3為煤柱核區寬度。根據煤柱兩側塑性區寬度計算公式（下式），選取的計算參數見表1，計算后的一側塑性區寬度為13.65 m，其中x1=x3，x2=m，通過計算，得到留設煤柱寬度為30.8 m。因此，確定采用留設煤柱寬度為30 m。

圖2 工作面煤柱留設寬度

表1 計算參數

3.2 支護設計

為有效控制11505 膠帶順槽掘進期間的巷道變形，在留設30 m煤柱的基礎上對巷道斷面進行聯合支護，根據本礦其他工作面的支護經驗及本工作面開采實際，確定巷道頂板采用 “錨桿+錨索+金屬網”聯合支護，兩幫采用“錨桿+ 金屬網”支護，11505 膠帶順槽支護斷面見圖3。

11505 膠帶順槽頂板錨桿使用Φ22 mm×2 400 mm高強度螺紋鋼錨桿，錨固劑型號為一支規格K2335，另一支規格Z2360。其中錨桿鉆孔直徑為30 mm，錨桿間排距為800 mm×1 000 mm，采用金屬網配合規格為450 mm×280 mm×4 mm的W鋼護板，同時采用鋼筋托梁護頂； 錨桿鋼筋托梁采用Φ14 mm的螺紋鋼焊接而成，托梁寬度為210 mm，長度為4 500 mm； 網片采用網孔的規格為40 mm×40 mm，頂網片尺寸為5 400 mm×1 000 mm；錨索為普通錨索，材料為Φ18.9 mm的1×7 股高強度低松弛預應力鋼絞線，長度7 300 mm，鉆孔直徑28 mm；錨固劑型號一支規格為K2335、兩支規格為Z2360，先上快速錨固劑，再上中速錨固劑；錨索托盤型號為300 mm×300 mm×16 mm高強度可調心異形托板及配套鎖具，錨索布置方式為“3∶2∶3”，間排距為1 600 mm×1 000 mm； 錨索鋼筋托梁采用Φ20 mm的螺紋鋼焊接而成，托梁寬度為210 mm，長度分別為3 600 mm、2 000 mm。

兩幫錨桿型號為Φ22 mm×2 400 mm高強度螺紋鋼錨桿，錨固劑型號一支規格為K2335，另一支型號為Z2360。鉆孔直徑為30 mm，錨桿間排距為800 mm×1 000 mm，采用金屬網配合型號為450 mm×280 mm×4 mm的W鋼護，并且采用鋼筋托梁護幫；錨桿鋼筋托梁采用Φ14 mm的螺紋鋼焊接而成，托梁寬度為210 mm，長度為2 900 mm；網片采用的網孔規格40 mm×40 mm，幫網片尺寸為3 100 mm×1 000 mm。

圖3 11505 膠帶順槽支護斷面（單位/mm）

4 應用分析

在11505 膠帶順槽掘進進尺100 m位置處布置綜合監測測站，隨掘進頭向前推進對巷道圍巖變形和錨桿索受力進行監測，錨桿、錨索均選取頂板和兩幫中間位置處進行監測，結果見圖4、圖5。隨著掘進面的向前推進，頂板下沉量和左幫移近量均呈現增大趨勢，但增大速率逐漸減小，監測45 d之后，巷道圍巖變形基本保持不變，頂板下沉量穩定在15 mm、兩幫移近量穩定在26 mm；根據錨桿和錨索的監測受力情況表明，45 d之后受力情況基本不變，頂錨桿受力穩定在54 kN、左幫錨桿受力穩定在57 kN、右幫錨桿受力穩定在63 kN，預應力錨索受力穩定在220 kN，表明巷道整體受擾動情況較穩定，不會出現突然的來壓現象。在留設30 m保護煤柱和對巷道采用錨桿索聯合支護方式后，11505 工作面順槽的穩定性得到了較好控制。

圖4 巷道變形統計

圖5 監測受力統計

5 結語

孟家窯礦井11505 大傾角軟厚煤層膠帶順槽因受多次采動影響，巷道完整性受到極大威脅。在分析巷道頂板和兩幫受力的基礎上，擬采用留設30 m煤柱和采用錨桿索聯合支護的方式，對11505 膠帶順槽進行控制。在留設30 m巷間煤柱和采用高強度錨桿索支護措施后，監測45 d后頂板下沉量穩定

在15 mm，兩幫移近量穩定在26 mm，錨桿索受力

均勻穩定，巷道整體控制效果良好，為11505 工作面安全生產提供了有力保障。