大斷面頂托煤巷道支護(hù)技術(shù)研究

夏記保

（山西煤炭運(yùn)銷(xiāo)集團(tuán)臨汾有限公司，山西 臨汾 034000）

山西煤銷(xiāo)集團(tuán)金辛達(dá)煤礦1101工作面沿煤層底板掘進(jìn)輔運(yùn)順槽，頂板為復(fù)合頂板，巖層為10號(hào)煤、夾矸及9號(hào)煤炭。巷道掘進(jìn)中，需保持頂板巷道圍巖穩(wěn)定，同時(shí)需滿足足夠斷面要求，以適應(yīng)高產(chǎn)高效綜合機(jī)械化放頂煤回采。針對(duì)1101輔運(yùn)順槽特殊地質(zhì)及回采工藝等有關(guān)要求，提出了相應(yīng)支護(hù)技術(shù)，保證巷道在工作面回采期間的凈斷面要求，實(shí)現(xiàn)安全高效綜合回采。

1 巷道地質(zhì)條件

首采的1101工作面，放頂煤開(kāi)采9～11號(hào)煤，煤層平均厚度為5.62 m，傾角為3°～10°，煤層硬度f(wàn)值為2～3，節(jié)理裂隙較發(fā)育。9#煤層頂板為K2石灰?guī)r，灰?guī)r為深灰色，質(zhì)地堅(jiān)硬、性脆，屬堅(jiān)硬巖石，巖體完整時(shí)構(gòu)成了堅(jiān)硬極難冒落頂板，飽和抗壓強(qiáng)度48.5～58.8 MPa，屬Ⅲ類(lèi)穩(wěn)定型頂板。

2 大斷面沿底留頂煤巷道變形失穩(wěn)特征

對(duì)于大斷面沿底掘進(jìn)巷道，因其巷道斷面大，四周?chē)鷰r為煤層，圍巖強(qiáng)度低，且經(jīng)受巷道回采動(dòng)壓影響，支護(hù)難度大，圍巖變形量及巷道塑性區(qū)更大，其變形波壞特征主要如下：

（1）頂板變形破壞嚴(yán)重，塑性區(qū)大，圍巖離層量大，頂板節(jié)理裂隙發(fā)育，掘巷過(guò)程中，在集中應(yīng)力影響下易剪切破壞，巷道頂板離層與巷寬的四次方成正比，巷道頂板中部離層量最大，因此對(duì)于大斷面巷道，巷寬增大后，頂板離層變形量急劇增大；

（2）冒頂突發(fā)性強(qiáng)。大斷面沿底留頂巷道，巷道跨度大，頂板巖性差，冒頂突發(fā)性強(qiáng)且范圍大，甚至冒頂范圍可達(dá)70～80 m；

（3）巷道底鼓嚴(yán)重。巷道支護(hù)若忽視對(duì)底板支護(hù)，只加強(qiáng)頂板及兩幫支護(hù)，底板易成為壓力釋放突破口；此外巷道底鼓量與巷寬的四次方成正比，因此對(duì)于大斷面巷道，底鼓將更難治理。

3 大斷面沿底留頂煤巷道圍巖穩(wěn)定機(jī)理

為探究大斷面沿底留頂巷道圍巖穩(wěn)定機(jī)理，建立FLAC3D數(shù)值模擬模型，研究頂煤厚度及巷寬對(duì)圍巖塑性區(qū)的影響，模型總體尺寸為142×20×78m（長(zhǎng)×寬×高），共劃分35275個(gè)單元，43344個(gè)節(jié)點(diǎn)，模型底面固定，四個(gè)側(cè)面限制水平運(yùn)動(dòng)，上邊界施加上覆巖層自重10 MPa，水平側(cè)壓系數(shù)為1.3，模型采用彈塑性材料，運(yùn)用Mohr-Coulomb屈服準(zhǔn)則判斷巖體的破壞。

3.1 頂煤厚度對(duì)圍巖塑性區(qū)的影響

不同頂煤厚度下圍巖塑性區(qū)分布規(guī)律如圖1所示。

圖1 頂煤厚度對(duì)圍巖塑性區(qū)影響

對(duì)比上圖，可以發(fā)現(xiàn)對(duì)于沿底掘進(jìn)巷道，頂板厚度增加對(duì)兩幫塑性區(qū)影響較小，但兩幫塑性區(qū)都比較大，因此需加強(qiáng)兩幫支護(hù)。頂煤厚度的增加對(duì)頂板圍巖的影響明顯，頂煤厚度增加后塑性區(qū)從頂板中部向兩邊迅速擴(kuò)展，最后和兩幫塑性區(qū)連為整體，破壞形式以剪切破壞為主。巷道頂板巷中及兩個(gè)頂角要加強(qiáng)支護(hù)，是防止頂板發(fā)生整體滑移破壞的關(guān)鍵。

3.2 巷道寬度對(duì)圍巖塑性區(qū)的影響

參照上述分析過(guò)程，研究巷道寬度變化（3.5～5m）對(duì)圍巖塑性區(qū)影響（數(shù)值模擬分析圖略），可以發(fā)現(xiàn)：

（1）隨著巷道寬度的增加，塑性區(qū)范圍沒(méi)有發(fā)生明顯變化，但底板塑性區(qū)均較大；

（2）巷道寬度的增大對(duì)圍巖塑性區(qū)影響大，巷道寬度從3.5 m增加到5.5 m時(shí)，塑性區(qū)迅速向圍巖深部擴(kuò)展，兩幫支護(hù)尤為關(guān)鍵；

（3）在巷寬較小的時(shí)候（3.5 m），頂板淺部出現(xiàn)拉伸破壞區(qū)，隨著巷道寬度的增加，圍巖破壞方式發(fā)生改變，由拉伸破壞變?yōu)榧羟衅茐?，隨著巷道寬度的增大，塑性區(qū)向深部擴(kuò)展趨勢(shì)不明顯，但迅速向周邊擴(kuò)展，和兩幫塑性區(qū)連為整體；

（4）巷道寬度的增大改變了巷道頂板的破壞方式，小斷面巷道頂板破壞主要以剪破壞或拉剪破壞為主，而大斷面巷道頂板破壞主要以拉破壞為主。

4 現(xiàn)場(chǎng)工業(yè)性試驗(yàn)

4.1 支護(hù)參數(shù)

頂板支護(hù)：鋼筋梯子梁組合HRB335螺紋鋼錨桿支護(hù)，錨索補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)。鋼筋梯子梁由Φ12 mm的鋼筋焊接而成。選用規(guī)格為Φ20 mm、L2200 mm的錨桿，每排5根，間排距為1100×1200 mm。頂板選用規(guī)格為Φ17.8 mm、L5200 mm的小孔徑預(yù)應(yīng)力錨索，間排距為2200×2400mm。

兩幫支護(hù)：鋼筋梯子梁組合HRB335螺紋鋼錨桿支護(hù)。選用規(guī)格為Φ20 mm、L2000 mm的錨桿，每排6根，間排距為1000×1000mm。

4.2 支護(hù)效果分析

為了觀測(cè)1101工作面輔運(yùn)順槽在掘進(jìn)及回采期間圍巖活動(dòng)規(guī)律，設(shè)置測(cè)站，對(duì)圍巖表面位移等進(jìn)行觀測(cè)。

圖2 表面位移監(jiān)測(cè)曲線

1101工作面輔運(yùn)順槽表面位移規(guī)律如下：巷道掘進(jìn)后，表面位移快速上升，持續(xù)時(shí)間10 d左右，頂?shù)装迤骄平俣葹?.7mm/d，兩幫平均移近速度為4.9mm/d，這是巷道開(kāi)挖后圍巖應(yīng)力由三向變?yōu)槎颍休d能力下降，形成一定范圍的破碎區(qū)，巖體破碎后，體積迅速膨脹，表面位移快速增長(zhǎng)。隨著遠(yuǎn)離掘進(jìn)迎頭，圍巖變形速度不斷減小并趨于穩(wěn)定，掘進(jìn)影響期大約為45 d。巷道達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)后，圍巖變形速度在0.15mm/d以下，兩幫移近量為84mm，頂?shù)装逡平繛?7mm，圍巖控制效果較好。

5 結(jié)語(yǔ)

采用科學(xué)合理的支護(hù)技術(shù)手段，保證了大斷面沿底留頂巷道受采動(dòng)影響后能夠保持穩(wěn)定，在服務(wù)期間巷道斷面滿足使用要求，不用二次支護(hù)、維護(hù)，大大減輕了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，保障1101工作面水平運(yùn)煤系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。