厚煤層大斷面巷道支護技術研究

王 偉

（山西晉煤集團沁水胡底煤業(yè)有限公司，山西 晉城 048000）

近年來，由于煤炭資源的持續(xù)開發(fā)以及技術改革，礦井埋深越來越深，開采設備趨于大型化、機械化，為滿足資源開采、巷道通風運輸?shù)男枰傻V活動對巷道斷面面積的要求也越來越大。巷道斷面增大必然會降低巷道圍巖的穩(wěn)定性，加之工作面所采煤層厚度較大，容易產生離層或失穩(wěn)。因此，研究此類巷道的合理支護形式，對提高厚煤層大斷面巷道支護效率具有非常重要的意義。

本文針對胡底煤礦1303 工作面大變形巷道控制難題，分析了該礦厚煤層大斷面巷道的支護難點，研究了巷道圍巖的破壞特征。在此基礎上對支護方案和支護參數(shù)進行了優(yōu)化，并在現(xiàn)場進行了成功應用。

1 工程概況

胡底煤礦1303 工作面開采煤層為3 號煤層，煤層最大厚度6.15 m，最小厚度5.2 m，平均厚度5.72 m。工作面基本頂為含礫粗砂巖，直接頂為炭質泥巖及粗砂巖，直接底為砂質泥巖。工作面整體為一小型單斜構造，煤層傾角約為5°。1303 工作面運輸煤巷13031 巷道為進風、運煤的巷道，并兼做行人巷使用。巷道為矩形斷面，巷道掘進寬5500 mm，凈寬5400 mm，凈高3600 mm，凈斷面5.4×3.6=19.44 m2。

2 巷道破壞特征及支護難點

2.1 巷道破壞特征

根據(jù)調研該礦其他工作面回采巷道的變形破壞情況，可以總結出巷道破壞特征：頂板煤體發(fā)生破裂產生下沉，頂板處金屬網(wǎng)產生拉伸變形，形成網(wǎng)兜，頂板有可能會發(fā)生冒漏；幫部煤體變形較大，煤體向巷道空間鼓出，危及巷道兩幫架設的管線；巷道頂板產生水平變形，頂板支護的W 型鋼帶受擠發(fā)生彎曲，部分發(fā)生斷裂，圍巖控制效果大大降低。

2.2 支護難點

（1）巷道跨度達到了5.4 m，高度達到3.6 m，斷面尺寸的增加使巷道圍巖應力和變形成指數(shù)倍急劇增加，圍巖變形增加，直到巷道失穩(wěn)。

（2）巷道兩幫為節(jié)理裂隙較為發(fā)育的煤體，承載能力較弱，加之頂板將成倍增加的垂直載荷向兩幫傳遞，使兩幫煤體的垂直壓力急劇增長，增加了片幫的可能性。

（3）煤層厚度大，厚度變化起伏大，裂隙較發(fā)育，煤層較軟弱，在掘巷過程中易發(fā)生離層、冒頂?shù)仁鹿省?/p>

（4）巷道要經(jīng)歷工作面回采超前支承壓力的影響，巷道圍巖應力集中程度較高，且變形劇烈。

3 巷道支護優(yōu)化方案

3.1 支護設計優(yōu)化

采用更長錨桿錨索將破碎頂板懸吊于深部穩(wěn)定巖層，加強頂?shù)捉恰蓭椭ёo等，優(yōu)化的方向主要包括以下兩個方面：

（1）頂板采用高強度、大延伸量加長錨桿錨索支護

巷道頂板上部為強度低、較破碎煤體，采用高強度加長錨桿能將淺部較破碎煤體錨固到深部較穩(wěn)定煤體中，高強度加長錨桿會在增強錨固區(qū)域整體性的基礎上，進一步提高其自身的承載能力。高強度長錨索可提供較大的支護阻力，并能確保其自身有足夠長度伸入到頂板穩(wěn)定層之中，提高了錨固點的穩(wěn)定性，減少了軟弱頂板的離層變形與沿弱面的錯動，形成錨桿錨索與頂板巖層組成的共同支護體，頂板抗變形能力和承載能力能夠得到較為明顯的提升。同時，大延伸量錨桿錨索允許圍巖有一定變形，增加了支護系統(tǒng)的適應性。

（2）加固兩幫以及頂?shù)捉顷P鍵部位

目前，在礦井生產中，很多巷道在圍巖控制過程中，僅僅重視對頂板的控制而忽略了對兩幫的控制。由于巷道頂板和兩幫的支護強度不同，使得矩形巷道的四個角，尤其是兩肩角的塑性破壞得不到有效控制，大范圍的塑性破壞使圍巖容易發(fā)生碎脹變形，從而使得巷道兩幫的控制難度進一步加大。當對矩形巷道四個角加大支護強度后，巷道圍巖碎脹變形的問題便得到了有效的解決，對巷道深部圍巖起到一定的隔離保護作用，兩幫承載能力得到提升，進而能為頂板提供更強大的支撐作用，使頂板下沉量減少，保證巷道穩(wěn)定。所以，加大對巷道四個角的支護成為了巷道圍巖控制的關鍵。

3.2 支護材料優(yōu)化

綜合考慮設計方案以及經(jīng)濟因素，優(yōu)化后的支護材料見表1。

表1 支護材料參數(shù)

3.3 支護參數(shù)優(yōu)化

頂板支護：頂板支護布置如圖1。

頂板采用錨桿、錨索、鋼帶、六邊形網(wǎng)聯(lián)合支護。頂錨桿選用左旋無縱筋螺紋鋼錨桿和拱形可調心鋼托板，每排布置6 根，間排距800 mm×1000 mm，其中最外側錨桿距巷道兩幫300 mm，與水平面夾角75°，中部錨桿均垂直于巷道頂板布置；錨索間排距為1500 mm×1000 mm。巷道頂、幫錨桿錨固力不小于127 kN，扭矩不小于200 Nm；錨索預緊力不小于200 kN，錨固力不小于363 kN。

兩幫支護：巷道斷面整體支護布置如圖2。

巷道兩幫錨桿選取Ф18 mm×2500 mm 的高強度螺紋錨桿，距頂300 mm 以間排距為800 mm×900 mm 開始支護。

巷道兩幫支護形式為錨桿支護，配合使用W 型護幫板以及菱形金屬網(wǎng)。巷道幫錨桿均垂直于煤幫布置，布置排距為1000 mm，間距為900 mm。其中最上排錨桿距巷頂400 mm，錨桿緊固力≥300 N·m。

圖2 巷道支護斷面圖（單位：mm）

4 現(xiàn)場應用效果分析

4.1 圍巖變形

針對13031 運輸巷道兩幫移近量和頂板下沉量進行了為期40 d 的現(xiàn)場觀測，圍巖變形數(shù)據(jù)顯示，在巷道開挖完成初期，圍巖變形的速度較大，然后逐漸減小，最后趨于0。巷道頂板下沉量最大不超過95.5 mm，兩幫相對移近量最大不超過84.5 mm，巷道斷面的最大收斂率約6.9%。這表明，在新的支護方案下，巷道變形得到了有效的控制。巷道圍巖變形情況如圖3。

圖3 巷道圍巖變形實測結果

4.2 頂板離層

頂板離層量也是鑒定巷道支護方案是否有效的一個重要指標。在現(xiàn)場得到的實際測量數(shù)據(jù)表明，頂板的離層量在4～7 mm之間，巷道頂板離層量較小，頂板仍然處于穩(wěn)定狀態(tài)。這說明優(yōu)化后的支護方案是一個有效的支護方案，達到了穩(wěn)定支護的目的。

通過對上述實測數(shù)據(jù)的分析，得出了新支護方案能夠很好地對厚煤層大斷面巷道進行支護，并能有效地控制巷道圍巖的變形。

5 結論

（1）巷道的頂?shù)捉侨菀装l(fā)生應力集中現(xiàn)象，變形的嚴重程度由大到小為：頂板最大，兩幫其次，底板最小。

（2）頂板采用高強度、大延伸量的加長錨桿錨索支護，并改變兩肩角錨桿支護角度，加固兩幫以及頂?shù)捉顷P鍵部位，圍巖控制效果良好。

（3）針對厚煤層大斷面巷道提出了合理的支護設計方案，經(jīng)試驗應用與動態(tài)監(jiān)測，錨桿索受力穩(wěn)定，圍巖變形較小，巷道整體穩(wěn)定性較好。