特厚煤層綜放大斷面孤島工作面巷道支護技術(shù)研究

白 宙 畢俊剛 白志兵

(1.西山煤電集團設(shè)計院，山西 太原 030053；2.山西西山晉興能源有限責(zé)任公司斜溝煤礦，山西 興縣 035300)

斜溝礦工作面目前多采用“跳采”的方式開采，隨著礦井開采強度和規(guī)模的擴展，會涌現(xiàn)出越來越多的孤島工作面，在巷道服務(wù)期間會出現(xiàn)礦壓顯現(xiàn)強烈的現(xiàn)象，巷道圍巖變形顯著增大，局部地段巷道出現(xiàn)錨桿(索)破斷、鋼帶撕裂、煤壁片幫、頂板下沉等嚴重危害巷道安全的事件[1-3]。以特厚煤層13號煤為例，為從根本上解決孤島工作面巷道的支護問題，杜絕巷道的反復(fù)維修，降低維護投入費用，給礦井營造良好的開采空間和運輸通道，實現(xiàn)安全高效開采，特厚煤層綜放大斷面孤島工作面巷道支護技術(shù)研究就很有必要。

1 工作面情況

位于礦井二水平的23105工作面地處21采區(qū)北部，其西部與已回采的23103工作面相鄰，其東部與目前正在回采的23107工作面相鄰，其北部未進行開采活動，上覆8號煤層的采空區(qū)，平均層間距53 m。13號煤層的平均厚度為14.5 m，采高3.8 m，放煤高度10.7 m，工作面的走向、傾斜長度分別為3 207.45 m、247.79 m。直接頂為厚度5.36 m的泥巖，老頂為厚度4.49 m的細粒砂巖，直接底為厚度3.45 m的泥巖，老底為厚度6.14 m的砂質(zhì)泥巖，蓋山厚度在223～342 m的范圍之內(nèi)。工作面平面布置圖如圖1所示。

圖1 23105工作面布置示意

2 膠帶巷受力與變形特征分析

23105膠帶巷屬于特厚煤層綜放大斷面孤島工作面巷道(距采空區(qū)煤柱約20 m)，與其相鄰的23103工作面已在2014年底前回采結(jié)束，采空區(qū)巖石基本上處于穩(wěn)定狀態(tài)。然而同樣與23103工作面相鄰的23101材料巷，其距離采空區(qū)的凈煤柱寬度為12 m，巷道在回采期間變形量大，大量的玻璃鋼錨桿發(fā)生了破斷，現(xiàn)場補打了大量錨索，付出了巨大的人力物力，也對正常回采作業(yè)產(chǎn)生了影響。23105工作面所采13號煤層的平均厚度為14.5 m，盡管與其相鄰的23103工作面已回采結(jié)束較久，但是23105工作面進行開采作業(yè)期間又會對已相對穩(wěn)定的圍巖造成二次擾動破壞，其相鄰23103采空區(qū)頂板會再次活動并且與23105工作面開采時的超前支承壓力產(chǎn)生疊加效應(yīng)，容易導(dǎo)致孤島工作面巷道的礦壓顯現(xiàn)，尤其是在煤柱上方會出現(xiàn)較高的支承壓力，加大現(xiàn)場巷道維護難度。為此，本文通過UDEC數(shù)值模擬軟件分析研究其相鄰的23103工作面開采后和23105膠帶巷掘巷時圍巖應(yīng)力情況，以實現(xiàn)為后續(xù)提出科學(xué)合理的支護方案提供基礎(chǔ)依據(jù)[4-6]。

2.1 數(shù)值模型

通過UDEC數(shù)值模擬軟件分析研究與23105工作面相鄰的23103工作面開采后和膠帶巷掘巷時的圍巖應(yīng)力情況，依據(jù)現(xiàn)場地質(zhì)條件建立數(shù)值模擬模型，模型尺寸為320 000 mm×120 000 mm，限制模型X軸方向上的左右移動及其底部Y軸方向上的移動，數(shù)值模擬模型如圖2所示。

圖2 數(shù)值模型

2.2 模擬結(jié)果分析

2.2.1 23103工作面采空后煤柱內(nèi)應(yīng)力分布狀態(tài)

圖3、圖4為23103工作面開采后煤柱支承壓力和圍巖屈服分布情況。

圖3 23103工作面采空區(qū)側(cè)向支承壓力分布

圖4 23103工作面回采后圍巖屈服狀態(tài)

由圖3、圖4可以看出：

1) 對于綜放工作面而言，工作面采高大，采用放頂煤開采，采空區(qū)頂板垮落后，頂板壓力顯現(xiàn)狀況要高于普通大采高工作面，特別當頂板難以垮落、懸頂面積大時，其形成的支承壓力也較高，同時靠近工作面端頭的懸頂也會對采空區(qū)側(cè)向支承壓力產(chǎn)生較大影響，當煤柱選擇支護不合理時，臨近的孤島工作面巷道動壓難以控制。

2) 23103工作面回采后，其臨近23105工作面煤柱的最大殘留支承壓力值為17.69 MPa(見線1)，與煤壁之間距離為7.3 m，對應(yīng)的應(yīng)力集中系數(shù)值為2.08。由于23105膠帶巷沿底掘送，23103工作面在底板上的最大支承壓力值為15.43 MPa(見線2)，與煤壁之間距離為9.8 m，對應(yīng)的應(yīng)力集中系數(shù)值為1.81。在23105膠帶巷與23103采空區(qū)留設(shè)煤柱20 m，23103采空區(qū)側(cè)支承壓力要低于采空區(qū)中線位置的支承壓力，而且峰值位置向煤柱的深部移動。

3) 受高支承壓力影響，在23103工作面回采結(jié)束之后，煤柱之中會出現(xiàn)屈服破壞，其最大深度達到了7.5 m，造成了支承壓力的峰值向著煤柱深部移動。

2.2.2 23105膠帶巷掘進時煤柱內(nèi)應(yīng)力分布狀態(tài)

圖5、圖6為23105膠帶巷掘進期間煤柱支承壓力和圍巖屈服分布情況。

圖5 23105膠帶巷掘進后支承壓力分布

圖6 23105膠帶巷掘送后圍巖屈服狀態(tài)

由圖5、圖6可以看出：

1) 23105膠帶巷掘進期間，其巷道兩側(cè)發(fā)生了顯著的應(yīng)力集中情況，其中采空區(qū)幫側(cè)支承壓力最大值為21.38 MPa，與巷幫之間距離為2.8 m，對應(yīng)的應(yīng)力集中系數(shù)值為2.5，比23103工作面開采后所產(chǎn)生的最大支承壓力大20.8%，正是由其相鄰23103采空區(qū)頂板會再次活動并且與23105工作面開采時的超前支承壓力產(chǎn)生疊加效應(yīng)所造成的。實體煤幫側(cè)支承壓力最大值為21.25 MPa，與巷幫之間距離為2.3 m，對應(yīng)的應(yīng)力集中系數(shù)值為2.5。

2) 受高支承壓力影響，在23105膠帶巷掘進期間圍巖出現(xiàn)屈服破壞，其中巷道幫側(cè)的最大屈服破壞深度為3 m，頂板最大屈服破壞深度為2.1 m，因此必須采用強力錨桿錨索進行加強支護，各礦現(xiàn)場實踐表明巷道幫部錨索可以有效控制圍巖變形破壞，并且降低起錨高度還具有減弱支承應(yīng)力造成的巷道底鼓。

3 支護方案設(shè)計

根據(jù)上述數(shù)值模擬分析結(jié)果，對23105膠帶巷支護方案進行重新設(shè)計。其掘進斷面為矩形，巷道斷面寬5 500 mm，高3 800 mm，斷面積為20.9 m2，沿13號煤層底板掘進，采用高預(yù)應(yīng)力錨桿錨索的支護方式。

3.1 頂板支護

錨桿規(guī)格：采用規(guī)格D22 mm左旋無縱筋螺紋鋼錨桿，鋼號400號，長度為2.6 m，螺紋M24。

錨桿錨固：每根錨桿安裝1支MSCK2380型和1支MSZ2380型樹脂錨固劑，采用加長錨固的方式，錨固長度為1 525 mm。

錨桿配件：錨桿配合規(guī)格M24×3的高強錨桿螺母以及托板調(diào)心球墊、尼龍墊圈，錨桿托板為拱型高強度托板，尺寸150 mm×150 mm×10 mm，要求其承載能力≥325 kN。

錨桿布置：垂直于頂板打設(shè)，間距為850 mm，排距為900 mm，要求其預(yù)緊力矩≥300 N·m。

網(wǎng)片規(guī)格：采用10號鐵絲編織的菱形金屬網(wǎng)，網(wǎng)片尺寸為6 500 mm×1 000 mm，網(wǎng)孔尺寸為50 mm×50 mm。

鋼帶規(guī)格：采用“W”型鋼帶，尺寸為5 300 mm×280 mm×3 mm。

錨索規(guī)格：采用規(guī)格D21.6 mm的17股高強度低松弛預(yù)應(yīng)力鋼絞線，長度為8 300 mm。

錨索錨固：每根錨索安裝1支MSCK2380型和2支MSZ2380型樹脂錨固劑，錨固長度為2 196 mm。

錨索配件：錨索托板尺寸為300 mm×300 mm×14 mm的拱形高強度托板，并配套相應(yīng)鎖具。

錨索布置：垂直于頂板打設(shè)，間距為1 350 mm、1 700 mm，排距為1 800 mm，要求其預(yù)緊力≥200 kN。

3.2 兩幫支護

3.2.1 工作面幫

錨桿規(guī)格：采用規(guī)格D20 mm全螺紋玻璃纖維錨桿，長度2.1 m，配專用托板。

錨桿錨固：每根錨桿安裝1支MSZ2380型樹脂錨固劑，錨固長度為634 mm。

護板規(guī)格：采用“W”型鋼護板，尺寸為400 mm×280 mm×3 mm。

錨桿布置：垂直于幫部打設(shè)，間距為1 200 mm，排距為900 mm，最頂部一排錨桿距離頂板300 mm，要求其預(yù)緊力矩≥40 N·m。

3.2.2 實體煤幫

錨桿規(guī)格：采用規(guī)格D22 mm左旋無縱筋螺紋鋼錨桿，鋼號400號，長度為2.6 m，螺紋M24。

錨桿錨固：每根錨桿安裝1支MSZ2380型樹脂錨固劑，錨固長度為760 mm。

錨桿配件：配合規(guī)格M24×3的高強錨桿螺母以及托板調(diào)心球墊、尼龍墊圈，錨桿托板為拱型高強度托板，尺寸150 mm×150 mm×10 mm，要求其承載能力≥325 kN。

護板規(guī)格：采用“W”型鋼護板，尺寸為400 mm×280 mm×3 mm。

網(wǎng)片規(guī)格：采用10號鐵絲編織的菱形金屬網(wǎng)，網(wǎng)片尺寸為2 800 mm×1 000 mm，網(wǎng)孔尺寸為50 mm×50 mm。

錨桿布置：垂直于幫部打設(shè)，間距為900 mm，排距為900 mm，最頂部一排錨桿距離頂板300 mm，要求其預(yù)緊力矩≥300 N·m。

幫錨索規(guī)格：采用規(guī)格D17.8 mm的鋼絞線，長度為4 300 mm。

錨索錨固：每根錨索安裝一支MSCK2380型和兩支MSZ2380型樹脂錨固劑，錨固長度為1 525 mm。

錨索配件：錨索托板尺寸為300 mm×300 mm×14 mm的拱形高強度托板，并配套相應(yīng)鎖具。

錨索布置：巷幫中部打設(shè)1排，間距1 800 mm，要求其預(yù)緊力≥120 kN。

23105膠帶巷支護設(shè)計見圖7。

圖7 23105膠帶巷支護設(shè)計方案(mm)

4 結(jié) 語

1) 經(jīng)濟效益：23105膠帶巷原支護方案成本大約為3 771.85元/m，采用新方案后成本大約為3 324.12元/m，可以節(jié)省447.73元/m，考慮到23105膠帶巷為特厚煤層綜放大斷面孤島工作面巷道，為了避免巷道后期大量維護，耗費大量的人力物力，且威脅人員安全，必須在掘進期間就應(yīng)加強23105膠帶巷的支護。

2) 幫部錨索對于控制幫部巷道變形效果良好，降低起錨高度還能減弱支承應(yīng)力造成巷道底鼓。因此，不僅要提高錨桿長度、強度，還要補充幫錨索對圍巖的變形進行控制。