厚煤層大采高工作面巷道支護(hù)設(shè)計(jì)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(xiàn)劇烈。在采動(dòng)影響下，巷道圍巖受力明顯，變形量較大，需針對(duì)厚煤層大采高工作面巷道支護(hù)設(shè)計(jì)進(jìn)行研究。寺河礦由于生產(chǎn)地質(zhì)條件變化，局部巷道出現(xiàn)軟煤、片幫、頂板不穩(wěn)定巖層增厚、可采煤層變薄等地質(zhì)異?，F(xiàn)象，參照其他盤區(qū)支護(hù)參數(shù)進(jìn)行巷道支護(hù)后，六盤區(qū)工作面一次順槽和復(fù)用巷道變形幅度較大，曾發(fā)生過(guò)頂板冒落，巷道掘進(jìn)和工作面回采緩慢[1]。

為保證巷道支護(hù)效果，對(duì)寺河礦東六盤區(qū)的生產(chǎn)地質(zhì)條件進(jìn)行詳細(xì)調(diào)查，評(píng)估巷道支護(hù)系統(tǒng)安全性，在此基礎(chǔ)上提出更加合理的巷道支護(hù)參數(shù)，將6302 工作面順槽63022、63023 巷作為工程示范，通過(guò)動(dòng)態(tài)施工質(zhì)量檢測(cè)和錨桿支護(hù)監(jiān)測(cè)保證巷道安全使用。

1 概況

寺河礦主采3 號(hào)煤層，蓋山厚度320～400 m。3 號(hào)煤厚6.2 m，煤層傾角平均為6°。6302 工作面走向長(zhǎng)度921 m，傾向長(zhǎng)度305 m，采用“一進(jìn)兩回”三巷布置。工作面南側(cè)為63021 巷，北側(cè)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(jìn)風(fēng)巷，服務(wù)年限2 年，63022 巷為留巷復(fù)用順槽，為工作面回風(fēng)巷，服務(wù)年限約3～4 年[2]。

2 巷道圍巖地質(zhì)力學(xué)評(píng)估

通過(guò)頂板結(jié)構(gòu)、錨桿拉拔受力、扭矩轉(zhuǎn)化試驗(yàn)、礦物成分分析等，對(duì)63022、63023 巷道進(jìn)行圍巖地質(zhì)力學(xué)評(píng)估，具體如下。

2.1 巷道頂板窺視分析

在63022 巷、63023 巷開(kāi)口以里，每隔10 m 布置一個(gè)孔板窺視孔，利用全景電子鉆孔窺視儀觀測(cè)鉆孔壁上的不連續(xù)面分布情況，并對(duì)窺視結(jié)果進(jìn)行處理和分析。通過(guò)分析頂板窺視結(jié)果得出，巷道頂煤節(jié)理裂隙發(fā)育，孔隙率高，整體性較差，巖層相對(duì)完整，局部層間發(fā)生水平錯(cuò)動(dòng)或離層。巷道掘進(jìn)時(shí)，由于存在0.2 m 炭質(zhì)泥巖，需及時(shí)按設(shè)計(jì)預(yù)緊力矩進(jìn)行錨桿支護(hù)，防止軟弱夾層出現(xiàn)離層破壞。

2.2 錨桿錨固力拉拔試驗(yàn)

在63022 和63023 巷選取典型位置，對(duì)巷幫煤體的錨固性能進(jìn)行拉拔試驗(yàn)。從現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)的9 組數(shù)據(jù)可知，63022、63023 巷幫煤體的可錨性強(qiáng)，全部9 組錨桿拉拔力測(cè)試值均能達(dá)到190 kN 以上，且錨桿、樹(shù)脂、錨固煤體均未發(fā)生破壞，說(shuō)明巷幫采用錨桿支護(hù)能夠滿足強(qiáng)度要求。

2.3 錨桿預(yù)緊扭矩與預(yù)緊力轉(zhuǎn)化試驗(yàn)

在6302 工作面附近選取典型位置，進(jìn)行錨桿預(yù)緊扭矩與預(yù)緊力轉(zhuǎn)化試驗(yàn)，見(jiàn)表1。

從試驗(yàn)結(jié)果分析，錨桿預(yù)緊扭矩隨著預(yù)緊力增大而增大，400 N·m 的預(yù)緊扭矩轉(zhuǎn)化成預(yù)緊力能達(dá)到43～48 kN（鋼號(hào)500 螺紋鋼錨桿屈服載荷的25%）。因此，根據(jù)《煤礦巷道錨桿支護(hù)技術(shù)規(guī)范》中錨桿預(yù)緊力為錨桿屈服力30%～60%的選取原則，相應(yīng)巷道錨桿預(yù)緊扭矩設(shè)計(jì)值不應(yīng)低于400 N·m。

2.4 巖層礦物成分分析

在63023 巷頂板現(xiàn)場(chǎng)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(jìn)行巖層礦物成分分析。將泥巖樣品制作成測(cè)量試片，利用衍射儀，測(cè)定樣品的衍射峰強(qiáng)度，并與標(biāo)準(zhǔn)X 射線衍射數(shù)據(jù)對(duì)比，進(jìn)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(jiàn)表2。

巖樣X(jué) 射線衍射試驗(yàn)表明，煤層直接頂為泥巖，黏土礦物占比達(dá)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(fā)生膨脹，降低巖體的力學(xué)性能，導(dǎo)致巷道維護(hù)困難，頂板變形量增大。

3 巷道支護(hù)設(shè)計(jì)

3.1 巷道支護(hù)方案設(shè)計(jì)

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(jī)沿3 號(hào)煤層底板一次成巷，巷道采用錨桿（索）聯(lián)合支護(hù)，如圖1。頂板支護(hù)：錨桿間排距1 m×1 m，每排6 根，長(zhǎng)度2.4 m，預(yù)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(wǎng)護(hù)頂。巷幫支護(hù)：錨桿間排距1 m×1 m，每排4 根，長(zhǎng)度為2 m，預(yù)緊力矩為400～550 N·m，錨固力不小于190 kN。W 鋼護(hù)板規(guī)格為280 mm×450 mm×4 mm，并用菱形網(wǎng)護(hù)幫[3]。

圖1 巷道支護(hù)方案設(shè)計(jì)

3.2 與原支護(hù)相比

頂板支護(hù)：頂錨桿間排距由1 m×1.1 m 優(yōu)化為1 m×1 m，錨桿長(zhǎng)度由2 m 優(yōu)化為2.4 m，每排增加1 根錨索，幫錨桿間距優(yōu)化為0.8 m×0.8 m，對(duì)復(fù)用巷道后期進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)。為提高巷道掘進(jìn)施工效率，在巷道掘完、工作面回采前對(duì)63022 復(fù)用巷道進(jìn)行后期補(bǔ)強(qiáng)，施工錨索保證巷道煤體保持完整性[4]。

4 數(shù)值模擬

根據(jù)寺河礦6302 工作面地質(zhì)條件，建立數(shù)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(yīng)力。在模型各關(guān)鍵部位設(shè)置監(jiān)測(cè)點(diǎn)，通過(guò)記錄位移量變化，分析不同巷道支護(hù)方案的位移量變化情況，結(jié)果如圖2、圖3。

圖2 6301 工作面原巷道支護(hù)位移云圖

圖3 6302 工作面現(xiàn)巷道支護(hù)位移云圖

厚煤層大采高巷道在采用現(xiàn)有巷道支護(hù)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(qū)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(qū)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(hù)效果分析

選取6301 面及6302 面相應(yīng)順槽巷道進(jìn)行巷道表面位移監(jiān)測(cè)，各試驗(yàn)120 m，如圖4、圖5，采用“十字布點(diǎn)法”，通過(guò)測(cè)量頂?shù)?、兩幫木樁距離，得出頂?shù)装逑鄬?duì)移近量、兩幫相對(duì)移近量隨工作面推進(jìn)變化規(guī)律[5]。

6301 工作面、6302 工作面圍巖變形隨推進(jìn)長(zhǎng)度變化而變化。6301 工作面原支護(hù)巷道頂?shù)装逡平?、兩幫移進(jìn)量在60 m 范圍內(nèi)急劇降低，分別由605 mm、1190 mm 降低為103 mm、158 mm；6302工作面現(xiàn)支護(hù)巷道頂?shù)装?、兩幫移進(jìn)量在60 m 范圍內(nèi)急劇降低，分別由410 mm、672 mm 降低至47 mm、68 mm。優(yōu)化支護(hù)參數(shù)后，頂?shù)装逡平?、兩幫移進(jìn)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(hù)圍巖變形量

圖5 6302 工作面現(xiàn)巷道支護(hù)圍巖變形量

6 結(jié)論

通過(guò)對(duì)寺河礦厚煤層大采高回采巷道現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)條件進(jìn)行巷道圍巖地質(zhì)力學(xué)研究，分析頂板結(jié)構(gòu)、煤體強(qiáng)度、礦物成分，提出新的支護(hù)方案并進(jìn)行數(shù)值模擬，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)，回采巷道頂?shù)装逡平?、兩幫移進(jìn)量最大值分別下降32.3%、43.5%，均在可控范圍內(nèi)，為寺河礦相應(yīng)巷道支護(hù)提供借鑒依據(jù)。