厚煤層大采高工作面巷道支護設計研究

袁 肖

（寺河礦企管部，山西 晉城 048006）

大采高工作面由于采高大，基本頂垮落步距大，礦壓顯現劇烈。在采動影響下，巷道圍巖受力明顯，變形量較大，需針對厚煤層大采高工作面巷道支護設計進行研究。寺河礦由于生產地質條件變化，局部巷道出現軟煤、片幫、頂板不穩定巖層增厚、可采煤層變薄等地質異常現象，參照其他盤區支護參數進行巷道支護后，六盤區工作面一次順槽和復用巷道變形幅度較大，曾發生過頂板冒落，巷道掘進和工作面回采緩慢[1]。

為保證巷道支護效果，對寺河礦東六盤區的生產地質條件進行詳細調查，評估巷道支護系統安全性，在此基礎上提出更加合理的巷道支護參數，將6302 工作面順槽63022、63023 巷作為工程示范，通過動態施工質量檢測和錨桿支護監測保證巷道安全使用。

1 概況

寺河礦主采3 號煤層，蓋山厚度320～400 m。3 號煤厚6.2 m，煤層傾角平均為6°。6302 工作面走向長度921 m，傾向長度305 m，采用“一進兩回”三巷布置。工作面南側為63021 巷，北側為63023巷和63022 巷，兩巷間煤柱中-中50 m。63021 和63023 巷為一次使用順槽，為工作面進風巷，服務年限2 年，63022 巷為留巷復用順槽，為工作面回風巷，服務年限約3～4 年[2]。

2 巷道圍巖地質力學評估

通過頂板結構、錨桿拉拔受力、扭矩轉化試驗、礦物成分分析等，對63022、63023 巷道進行圍巖地質力學評估，具體如下。

2.1 巷道頂板窺視分析

在63022 巷、63023 巷開口以里，每隔10 m 布置一個孔板窺視孔，利用全景電子鉆孔窺視儀觀測鉆孔壁上的不連續面分布情況，并對窺視結果進行處理和分析。通過分析頂板窺視結果得出，巷道頂煤節理裂隙發育，孔隙率高，整體性較差，巖層相對完整，局部層間發生水平錯動或離層。巷道掘進時，由于存在0.2 m 炭質泥巖，需及時按設計預緊力矩進行錨桿支護，防止軟弱夾層出現離層破壞。

2.2 錨桿錨固力拉拔試驗

在63022 和63023 巷選取典型位置，對巷幫煤體的錨固性能進行拉拔試驗。從現場實測的9 組數據可知，63022、63023 巷幫煤體的可錨性強，全部9 組錨桿拉拔力測試值均能達到190 kN 以上，且錨桿、樹脂、錨固煤體均未發生破壞，說明巷幫采用錨桿支護能夠滿足強度要求。

2.3 錨桿預緊扭矩與預緊力轉化試驗

在6302 工作面附近選取典型位置，進行錨桿預緊扭矩與預緊力轉化試驗，見表1。

從試驗結果分析，錨桿預緊扭矩隨著預緊力增大而增大，400 N·m 的預緊扭矩轉化成預緊力能達到43～48 kN（鋼號500 螺紋鋼錨桿屈服載荷的25%）。因此，根據《煤礦巷道錨桿支護技術規范》中錨桿預緊力為錨桿屈服力30%～60%的選取原則，相應巷道錨桿預緊扭矩設計值不應低于400 N·m。

2.4 巖層礦物成分分析

在63023 巷頂板現場取樣，采用水懸浮分離方法或離心分離方法分別提取粒徑小于10 μm 和小于2 μm 的粘土礦物樣品，進行巖層礦物成分分析。將泥巖樣品制作成測量試片，利用衍射儀，測定樣品的衍射峰強度，并與標準X 射線衍射數據對比，進行定性分析，確定樣品中礦物種類和含量（%）以及黏土礦物總量（%），具體見表2。

巖樣X 射線衍射試驗表明，煤層直接頂為泥巖，黏土礦物占比達到62.9%，其他成分為石英、銳鈦礦，占比為37.1%。黏土礦物中伊蒙混層占52.7%，高嶺石占31%，伊利石占16.3%。伊蒙混層含量較高的黏土礦物遇水后極易發生膨脹，降低巖體的力學性能，導致巷道維護困難，頂板變形量增大。

3 巷道支護設計

3.1 巷道支護方案設計

63021、63023 巷為6302 工作面皮帶順槽，毛寬5.5 m，毛高4 m，毛斷面為22 m2。采用連采機沿3 號煤層底板一次成巷，巷道采用錨桿（索）聯合支護，如圖1。頂板支護：錨桿間排距1 m×1 m，每排6 根，長度2.4 m，預緊力矩400～550 N·m，錨固力不小于190 kN。錨索間排距1.5 m×2 m，每排3 根，張拉力不低于320 kN，采用Φ16-5300-100-6的鋼筋托梁，并用菱形金屬網護頂。巷幫支護：錨桿間排距1 m×1 m，每排4 根，長度為2 m，預緊力矩為400～550 N·m，錨固力不小于190 kN。W 鋼護板規格為280 mm×450 mm×4 mm，并用菱形網護幫[3]。

圖1 巷道支護方案設計

3.2 與原支護相比

頂板支護：頂錨桿間排距由1 m×1.1 m 優化為1 m×1 m，錨桿長度由2 m 優化為2.4 m，每排增加1 根錨索，幫錨桿間距優化為0.8 m×0.8 m，對復用巷道后期進行補強支護。為提高巷道掘進施工效率，在巷道掘完、工作面回采前對63022 復用巷道進行后期補強，施工錨索保證巷道煤體保持完整性[4]。

4 數值模擬

根據寺河礦6302 工作面地質條件，建立數值模擬模型，模型范圍為100 m×100 m×20 m，模型底部為剛性支承，上部施加應力。在模型各關鍵部位設置監測點，通過記錄位移量變化，分析不同巷道支護方案的位移量變化情況，結果如圖2、圖3。

圖2 6301 工作面原巷道支護位移云圖

圖3 6302 工作面現巷道支護位移云圖

厚煤層大采高巷道在采用現有巷道支護方式后，圍巖位移量降低較明顯。水平位移主要在巷道兩幫中部區域，兩幫移近量約為680 mm；垂直位移主要在巷道頂板、兩幫上部及底板區域，頂板最大下沉量150 mm，巷道兩幫上部下沉量約92 mm，底鼓量為30 mm。

5 支護效果分析

選取6301 面及6302 面相應順槽巷道進行巷道表面位移監測，各試驗120 m，如圖4、圖5，采用“十字布點法”，通過測量頂底、兩幫木樁距離，得出頂底板相對移近量、兩幫相對移近量隨工作面推進變化規律[5]。

6301 工作面、6302 工作面圍巖變形隨推進長度變化而變化。6301 工作面原支護巷道頂底板移近量、兩幫移進量在60 m 范圍內急劇降低，分別由605 mm、1190 mm 降低為103 mm、158 mm；6302工作面現支護巷道頂底板、兩幫移進量在60 m 范圍內急劇降低，分別由410 mm、672 mm 降低至47 mm、68 mm。優化支護參數后，頂底板移近量、兩幫移進量最大值分別下降32.3%、43.5%，巷道兩幫變形明顯減小，頂板下沉量、底鼓量整體不大，巷道圍巖完整性良好。

圖4 6301 工作面原巷道支護圍巖變形量

圖5 6302 工作面現巷道支護圍巖變形量

6 結論

通過對寺河礦厚煤層大采高回采巷道現場地質條件進行巷道圍巖地質力學研究，分析頂板結構、煤體強度、礦物成分，提出新的支護方案并進行數值模擬，通過現場實測，回采巷道頂底板移近量、兩幫移進量最大值分別下降32.3%、43.5%，均在可控范圍內，為寺河礦相應巷道支護提供借鑒依據。