復合頂板大斷面井巷支護的室內(nèi)模擬試驗與現(xiàn)場監(jiān)測研究

席 崗

（山西西山煤電股份有限公司鎮(zhèn)城底礦， 山西 古交 030203）

引言

目前，由于大斷面煤巷高度、寬度較大，且本身煤層或巖層的強度較低，導致在開采或掘進過程中存在施工速度慢、支護成本高、支護效果差等問題，極大地制約了大斷面煤巷連續(xù)性、安全性的生產(chǎn)[1]，因此，針對復合頂板大斷面煤巷的支護工作開展研究，為提升大斷面煤巷的支護效果和生產(chǎn)效率奠定基礎(chǔ)。

1 工程概況

以某礦3 號煤層工作面所屬的巷道為例，對其支護模擬、優(yōu)化設計以及支護效果等方面開展研究。3 號煤層所屬煤礦的設計生產(chǎn)能力為6 Mt/a，工作面煤層的平均厚度為4.5 m，巷道的斷面形狀為矩形，寬度為5.5 m，高度為4.5 m。鑒于3 號煤層所屬巷道斷面尺寸交到，導致其在實際施工過程中出現(xiàn)裂隙擴張、煤體膨脹等問題，最終3 號煤層工作面出現(xiàn)冒頂、片幫以及底鼓等多種破壞形式。經(jīng)探測，3 號煤層工作面頂?shù)装迩闆r如表1 所示。

目前，3 號煤層所屬巷道在實際生產(chǎn)中由于支護效果不佳出現(xiàn)如下問題：

1）巷道兩幫的收縮量較大且左右兩幫的收縮量不均勻；

2）巷道底板出現(xiàn)的底鼓現(xiàn)象較為嚴重，導致設備通過巷道的效率較低；

3）巷道頂板出現(xiàn)明顯的下沉、冒落等現(xiàn)象[2]。

2 室內(nèi)模擬試驗方案的設計

為充分掌握3 號煤層工作面當前支護方案下巷道的變形、破壞情況，為巷道支護優(yōu)化提供扎實的參考。本節(jié)將采用室內(nèi)模擬試驗手段對當前支護方案進行研究。

表1 3 號煤層工作面頂?shù)装迩闆r

2.1 模型的搭建

3 號煤層巷道當前采用錨桿+錨索的聯(lián)合支護方式，具體支護參數(shù)如下：

頂板支護：采用錨桿+錨索的聯(lián)合支護參數(shù)，所選錨桿的直徑為22 mm，長度為2 m，錨桿間距為1 000 mm，錨桿排間距為900 mm，錨固長度為1 675 mm；所選錨索的直徑為22 mm，長度為8 m，錨索間距為2 000 mm，錨索排間距為1 800 mm，錨固長度為1 970 mm。

兩幫支護：采用錨桿+錨索的聯(lián)合支護參數(shù)，所選錨桿的直徑為22 mm，長度為2 m，錨桿間距為950 mm，錨桿排間距為900 mm，錨固長度為1 675 mm；所選錨索的直徑為17.8 mm，長度為5 m，錨索間距為1 500 mm，錨索排間距為1 800 mm，錨固長度為1 755 mm。

頂板和兩幫在錨桿、錨索聯(lián)合支護的基礎(chǔ)上，在頂板和左右兩幫鋪設金屬網(wǎng)片，其金屬網(wǎng)孔的規(guī)格為50 mm×50 mm，一套金屬網(wǎng)片的規(guī)格為5.6 m×1 m。

根據(jù)3 號煤層巷道斷面形狀，所建立實驗室模型的長度為160 cm、高度為160 cm、深度為40 cm；模型可承受的最大密集載荷可達5 MPa。根據(jù)巷道實際所承受的地層應力，為所建立模型施加垂直低壓為13.7 MPa 的載荷。根據(jù)巷道頂?shù)装鍖嶋H情況，按照對應比例配置石膏板模擬頂?shù)装宓纳皫r、泥巖以及煤層等。根據(jù)當前巷道的實際支護參數(shù)對所搭建的實驗室模型進行支護，支護后的模型巷道如圖1 所示：

圖1 模型巷道的支護效果

2.2 試驗方案的設計及結(jié)果

模擬巷道實際開采時巷道頂板、兩幫所承受的壓力，采用逐步增加載荷的方式對巷道頂板和兩幫施加壓力，根據(jù)模擬所能承受的最大的密集載荷為5 MPa，本次試驗經(jīng)歷10 次將頂板和兩幫的載荷增大至5 MPa，具體施加壓力過程如表2 所示：

表2 模型巷道載荷施加過程

2.2.1 模型巷道變形情況分析

觀察模型巷道在不同頂板、左右兩幫載荷作用下的變形情況，總結(jié)如下：當在施加載荷初期，巷道的變形主要表現(xiàn)在頂板和底板附近，兩幫尚未出現(xiàn)變形；當載荷施加至第四個階段后，模型巷道在Y方向的變形主要集中于頂?shù)装?，并且在X 方向（兩幫）也出現(xiàn)變形情況；隨著X、Y 方向載荷的繼續(xù)增大，左右兩幫、頂板及底板的變形越來越嚴重；當載荷增大至第十階段時，巷道左側(cè)巖層被嚴重破壞，且右?guī)陀捎陧敯宓膰乐叵鲁脸霈F(xiàn)整體斷裂，與此同時底板也出現(xiàn)嚴重的底鼓現(xiàn)象[3]。

2.2.2 模型巷道應力變化情況分析

隨著頂板、兩幫載荷的不斷增大，模型巷道不同位置的應力情況各不相同，具體總結(jié)如下：頂?shù)装逅綉υ谳d荷為7 級時急劇增大；左底角水平應力在施加9 級載荷之前時小于0.1 MPa，而后急劇增大；巷道左幫在施加9 級載荷之前時小于0.2 MPa，而后急劇增大；右頂角在施加2 級載荷之前時小于0.25 MPa，而后急劇增大；巷道右?guī)驮谑┘? 級載荷之前時小于0.2 MPa，而后急劇增大。

經(jīng)對模型巷道各個位置垂直、水平應力綜合分析后可知：模型巷道整體所承受的水平應力大于垂直應力；巷道頂角的應力值大于底角的應力值；模型巷道左右兩幫的應力值較小。

經(jīng)對模型巷道室內(nèi)試驗結(jié)果進行分析可知，當前支護方案無法對巷道頂角、頂板進行較好的支護，因此需對該兩處位置的支護方案進行針對性優(yōu)化設計，從整體下降低巷道的水平應力，避免巷道出現(xiàn)失穩(wěn)的問題[4]。

3 井巷支護優(yōu)化設計及礦壓監(jiān)測

結(jié)合大斷面工作面支護原則、室內(nèi)模擬試驗的結(jié)果、巷道的地質(zhì)條件對原支護參數(shù)進行優(yōu)化設計，優(yōu)化后結(jié)果如下：

頂板支護：采用錨桿+錨索的聯(lián)合支護參數(shù)，所選錨桿的直徑為22 mm，長度為2.4 m，錨桿間距為1 000 mm，錨桿排間距為900 mm，錨固長度為1 675 mm；所選錨索的直徑為22 mm，長度為8.4 m，錨索間距為2 700 mm，錨索排間距為900 mm，錨固長度為1 970 mm。

兩幫支護：采用錨桿+錨索的聯(lián)合支護參數(shù)，所選錨桿的直徑為22 mm，長度為2.4 m，錨桿間距為950 mm，錨桿排間距為900 mm，錨固長度為1 675 mm；所選錨索的直徑為22 mm，長度為5.3 m，錨索間距為2 400 mm，錨索排間距為1 800 mm，錨固長度為1 755 mm。

為驗證參數(shù)優(yōu)化后的支護效果，將重新優(yōu)化設計的支護參數(shù)應用于井巷的支護中，并對礦壓進行監(jiān)測，主要對巷道的變形情況進行監(jiān)測，巷道變形情況對比結(jié)果如表3 所示：

表3 支護參數(shù)優(yōu)化后巷道變形情況對比

如表3 所示，對井巷支護參數(shù)進行優(yōu)化后，井巷頂板的下沉量得到明顯控制，兩幫的收斂量（移近量）也得到明顯控制。

4 結(jié)論

井巷支護效果直接決定綜采或掘進工作面的生產(chǎn)效率，尤其對于特殊工作面而言其支護參數(shù)的設計需嚴格根據(jù)巷道情況針對性的合理設計[5]。鑒于3號煤層井巷為大斷面井巷，其支護設計與其他井巷不同，本文著重對其當前支護效果進行室內(nèi)模擬，并對優(yōu)化后的支護效果進行驗證，具體總結(jié)如下：

1）3 號煤層井巷在當前支護狀態(tài)下，其頂角和頂板所承受的應力值較大，即對應支護效果較差；整個巷道水平應力普遍大于垂直應力，需從強化頂板和頂角處的支護效果著手對支護參數(shù)進行優(yōu)化。

2）對井巷錨桿、錨索部分支護參數(shù)進行優(yōu)化設計并應用于實際巷道支護后，巷道頂板的下沉量得到明顯控制，且巷道兩幫的移近量也得到明顯控制。