斜溝煤礦厚煤層巷道支護技術研究*

梁建明

（山西西山晉興能源有限責任公司斜溝煤礦，山西 呂梁 033602）

0 引 言

隨著煤礦開采深度不斷延深，對巷道的支護技術提出更嚴峻的挑戰(zhàn)[1]。目前斜溝煤礦煤層巷道的支護方案存在著很大的提升空間[2]。由于斜溝煤礦以往的工作面采用的支護形式是鄰近礦井的的支護形式與支護參數(shù)[3]，煤層巷道出現(xiàn)了兩幫變形和頂板離層的現(xiàn)象[4-6]，對本礦職工的生命安全形成了較大的威脅[7]。本文通過現(xiàn)場監(jiān)測，研究單一厚煤層的支護方案[8]，以為今后單一厚煤層的支護問題選擇更合理的支護方案[9-10]。

1 工作面概況

斜溝煤礦23107工作面位于21采區(qū)回風上山北側(cè)，西側(cè)、北側(cè)為實煤區(qū)，東北側(cè)為原斜溝煤礦舊礦13號煤采空區(qū)，上部為8號煤層18103、18105、18117采空區(qū)，上部東側(cè)為18101、18115采空區(qū)和原斜溝煤礦8號煤采空區(qū)。工作面位于店灣村東南側(cè)，東北部有馬麻墕塔溝，黃家溝橫穿工作面中南部。地表為黃土梁、峁，地形起伏較大，山坡較陡，地表被巨厚層黃土覆蓋。工作面蓋山厚度：142～354m。工作面標高為+791～+852，地面標高為+983～+1182。

該工作面主采13#煤層，共布置皮帶巷、材料巷兩條，巷道形狀都為矩形，材料巷尺寸為5.2m，3.6m，皮帶巷尺寸為寬5.5m，高3.8m。23107綜放工作面采用單一走向長壁后退式綜合機械化低位放頂煤采煤方法進行回采，工作面采高為3.6m，放煤高度10.75m，采放比約為1：2.99，按一刀一放的正規(guī)循環(huán)作業(yè)，循環(huán)進度、放煤步距均為0.8m，頂板采用全部垮落法管理采空區(qū)頂板，13#煤層頂?shù)装鍘r性情況見表1。

表1 23107工作面頂?shù)装迩闆r

2 新支護方案提出

斜溝煤礦在設計工作面時，巷道支護方案常參考相鄰工作面以確定巷道支護的形式與參數(shù)。斜溝礦23107工作面兩巷選擇12根強錨桿來支護，具體形式如圖1所示。采用Φ22×2000mm的錨桿，布置形式為1000mm排距，900mm的間距。

采用十字型考察法來監(jiān)測23107皮帶巷巷道變形情況，每隔100m設置一個觀測點，每個測點的變形情況見表2，應力變化情況見表3。

表2 23107皮帶巷變形位移情況

表3 23107皮帶巷應力監(jiān)測情況

圖1 23107皮帶巷舊支護方案

通過查閱文獻，發(fā)現(xiàn)巷道在開挖后，將形成自由空間，在其巖體產(chǎn)生自轉(zhuǎn)平衡運動，因此巖體將會成為近乎于拋物線的穩(wěn)定形狀，如圖2所示，該結構的拱高是h0，拱跨長度是2a，其中θ為巖體的內(nèi)摩擦角[4-6]。

冒落拱的拋物線方程是：

圖2 巷道圍巖冒落拱示意圖

通過在井下實際現(xiàn)場監(jiān)測，發(fā)現(xiàn)巷道掘成以后，形成一個穩(wěn)定嚴密的橢圓形冒落拱，在一定的巖層重力作用下，橢圓形冒落拱開始緩慢變形最后垮落，此階段內(nèi)壓力拱逐步升高，最后修正普氏拱形成。天然拱的高度可用如下公式表達：

式中，f為煤巖體的堅固性系數(shù)，對于煤來說一般取1.5～2.5；B為滑動楔形上頂寬度的一半，這里取3；M為安全系數(shù)，取2。

帶入數(shù)據(jù)計算得到冒落拱的高度是2.6～4.2m。

3～4m的冒落拱高度超過巷道所選用錨桿的長度（2m），致使錨桿因長度過短不能很好支護住巷道頂板，發(fā)生頂板巖體破碎冒落。雖然錨索可以支護住巷道頂部的巖體，但因為巷道跨度長，加上巷道周圍有斷層降低了圍巖的堅固系數(shù)、錨索的低延伸率，同時存在人為和施工等不確定因素，致使部分錨索未能發(fā)揮出良好的支護效果，給巷道產(chǎn)生冒頂事故種下隱患。

在總結對比巷道不同支護方法優(yōu)缺點，在理論結合實際、安全與經(jīng)濟相結合的原則下，因斜溝煤礦井下巷道跨度較大，23107皮帶巷的支護留下嚴重問題，提出新的支護方案：如果巷道斷面是矩形，則巷道頂板選用3根Ф22×5000mm的錨索和3根Ф22×2000mm的錨桿聯(lián)合支護形式，如圖3所示，新方案可以充分消除巷道頂板沿角滑移和巷道兩角破壞。

圖3 23107皮帶巷新支護方案

3 新支護方案監(jiān)測分析

結合斜溝煤礦煤巷的實際情況，得到巷道支護監(jiān)測指標，具體見表4。監(jiān)測內(nèi)容主要有巷道頂板、兩幫的位移量，巷道頂板錨桿、兩幫錨桿和頂板錨索的受力情況，巷道錨索的受力情況。

表4 皮帶巷綜合監(jiān)測監(jiān)控指標

依據(jù)監(jiān)控指標，采用十字型考察法研究分析巷道頂板、兩幫位移情況。監(jiān)控儀器選用中煤科工集團重慶研究院有限公司生產(chǎn)的CM-300型測力錨桿儀器和煤科集團沈陽研究院有限公司生產(chǎn)的新型GYS-600錨索測力儀器。CM-300型測力錨桿儀器用來監(jiān)測監(jiān)控井下巷道錨桿受力情況，GYS-600錨索測力儀器用來監(jiān)測監(jiān)控巷道錨索的受力情況。通過收集井下連續(xù)210天的監(jiān)測數(shù)據(jù)，借助數(shù)據(jù)分析軟件繪制對比圖4-圖8。

從圖4、圖5發(fā)現(xiàn)：新支護方案較舊支護方案兩幫及頂板位移量都明顯減小。相對舊支護方案頂板位移量減小110mm，兩幫位移量減小56mm。新支護方案巷道圍巖變形量在初期呈增大趨勢，在巷道前期運動中圍巖變化劇烈，但后期圍巖變形量開始減小，圍巖變形速度逐漸降低，巷道圍巖向著穩(wěn)定的狀態(tài)發(fā)展，最終保持在42mm，表明巷道采用新支護方案后取得了良好支護效果，有效抑制住巷道變形。

通過圖6、圖7發(fā)現(xiàn)23107皮帶巷頂板最大受力值為62kN，巷道側(cè)幫錨桿受力由于錨桿位置不同，受力情況也有所不同。分析巷道兩幫錨桿受力結果發(fā)現(xiàn)，3#、7#錨桿因為布置于巷道兩幫的最上部位，受力不大，最大受力值僅為28kN。而1#、9#錨桿受到巷道兩幫作用力較大，最大受力值高達75kN，相對錨桿的最大屈服力153kN而言，仍然有很大的富裕系數(shù)。所以錨桿能夠充分達到巷道安全支護的要求。

由圖8得到：巷道頂板12#錨索最初的受力值為25kN，證明在錨索施工完畢后張拉預緊力未達到錨索設計標準100kN。10#、11#錨索滿足張拉預緊力的標準且受力呈現(xiàn)逐漸上升狀態(tài)，上升速度緩慢，150天后受力升高到150kN，且保持穩(wěn)定狀態(tài)，能有效控制住頂板，減小頂板的下沉量。同時發(fā)現(xiàn)所有錨索的最大承受載荷明顯小于錨索的拉斷載荷353kN，錨索的托錨力是錨索拉斷載荷的1/2，仍有很大的富裕量，能夠有效抑制的巷道變形，巷道支護效果良好。

圖4 23107皮帶巷巷道頂板變形對比圖

圖5 23107皮帶巷巷道兩幫變形對比圖

圖6 23107皮帶巷頂板錨桿受力示意圖

圖7 23107皮帶巷兩幫錨桿受力示意圖

圖8 23107皮帶巷頂板錨索受力示意圖

4 結 論

1）采用普通錨桿、錨索、鋼筋錨網(wǎng)和W鋼帶聯(lián)合支護后，23107皮帶巷圍巖變形量明顯減少，錨桿、錨索的受力情況均滿足巷道安全支護的要求。

2）厚煤層煤巷難易維護，且成本昂貴。實施新支護方案后，23107皮帶巷支護效果明顯改善，降低巷道的維修管理費用，經(jīng)濟效益和社會效益顯著。

3）通過現(xiàn)場監(jiān)測監(jiān)控，優(yōu)化巷道的支護支護參數(shù)，不但能達到安全生產(chǎn)的目的，還為今后研究巷道支護工作產(chǎn)生積極的影響。