特厚煤層托頂煤掘進巷道支護技術(shù)研究

岳小建

（山西省晉神能源有限公司，山西 河曲 036500）

隨著煤礦開采技術(shù)的日益發(fā)展，一次采全高的采煤工藝已成為特厚煤層工作面開采的發(fā)展方向。由于一次采全高工作面巷道斷面大，巷道掘進多以托頂煤方式施工，巷道容易受采動影響產(chǎn)生變形，影響工作面的生產(chǎn)安全。國內(nèi)學(xué)者通過理論研究，進行數(shù)值模擬以及現(xiàn)場實踐提出高預(yù)應(yīng)力支護的相關(guān)理論，在國內(nèi)多個礦井進行了推廣應(yīng)用，效果顯著[1-4]。張日林，王家臣，朱建明在《大斷面托頂煤巷道支護參數(shù)優(yōu)化研究》 中對某礦井大斷面巷道托頂煤掘進采用數(shù)值模擬的方式對巷道支護參數(shù)進行優(yōu)化研究，確定大斷面托頂煤掘進巷道的最佳支護參數(shù)，并在參數(shù)優(yōu)化后對巷道支護效果進行了現(xiàn)場監(jiān)測，證明了支護參數(shù)優(yōu)化能夠有效提高支護效果[5]；白蘭永在《葛泉礦復(fù)合厚煤層煤巷錨桿支護參數(shù)確定》 中通過仿真平臺對葛泉礦井下工作面層狀圍巖的變形、 破壞機理和過程進行了仿真模擬，提出巷道托頂煤掘進的支護技術(shù)[6]。多數(shù)學(xué)者認為托頂煤掘進巷道支護的研究重點在對錨桿、 錨索聯(lián)合支護以及超前支護對巷道圍巖的控制方面，而對錨桿、錨索聯(lián)合支護的護表配件對巷道圍巖變形控制作用方面的研究較為缺乏。

新村煤礦Ⅱ3#煤層屬于特厚煤層，計劃采用分層大采高的方式開采，由于頂煤過厚，原所用的錨桿、錨索聯(lián)合支護無法穿過煤層固定在巖層上，無法有效控制圍巖變形。因此，針對Ⅱ3#煤層首采面回采巷道開展托頂煤掘進大斷面巷道高預(yù)應(yīng)力支護技術(shù)應(yīng)用研究很有必要。

1 工程概況

新村煤礦Ⅱ3#煤層屬于全區(qū)可采煤層，首采面煤層埋深在480 m 左右，平均煤厚約26 m，煤層頂板以上巖層分別為泥巖，厚0.5 m、 粉砂質(zhì)泥巖，厚1.5 m、粉砂巖，厚7.6 m；煤層底板巖層分別為炭質(zhì)泥巖，厚0.5 m、泥巖，厚0.8 m。首采面煤層柱狀圖如圖1所示。

圖1 首采面煤層柱狀

礦井Ⅱ3#煤層設(shè)計開采方案為分兩層開采，其上層工作面設(shè)計采高為5.5 m，煤體強度為12～15 MPa，為避免出現(xiàn)打設(shè)錨索時進入頂板泥巖層中，工作面頂板預(yù)留頂煤厚度為4 m，同時解決鉆孔出水的問題。上層工作面位置關(guān)系剖面如圖2所示。

礦井Ⅱ3#煤層設(shè)計開采方案為分兩層開采，其上層工作面設(shè)計采高為5.5 m，煤體強度為12～15 MPa，為避免出現(xiàn)打設(shè)錨索時進入頂板泥巖層中，工作面頂板預(yù)留頂煤厚度為4 m。上層工作面位置關(guān)系剖面如圖2所示。

圖2 上層工作面位置關(guān)系剖面

上層工作面回風(fēng)巷寬度和高度尺寸為5.4 m×4.2 m，根據(jù)回風(fēng)巷掘進時的圍巖地質(zhì)力學(xué)研究結(jié)果得知，首采面地應(yīng)力場為σHVh類型，可知σH值最大，σh值最小。已知，σH值為10.52 MPa，σV值為7.8 MPa，σh值為5.46 MPa，首采面回風(fēng)巷圍巖應(yīng)力場等級中等偏低，水平應(yīng)力主方向為N56.1°E，與巷道軸向呈45°夾角。

2 圍巖強度分析及控制機理

2.1 煤體強度測試

為了對Ⅱ3#煤層在不同層位的煤體強度表現(xiàn)進行測試，在現(xiàn)場通過鉆孔觸探法測試巷道兩幫以及頂板煤體的強度[7-11]，巷道煤體強度曲線如圖3、圖4所示。同時采集打鉆位置樣本進行實驗室力學(xué)性質(zhì)分析，分析結(jié)果如表1所示。經(jīng)分析，現(xiàn)場鉆探結(jié)果與實驗室力學(xué)性質(zhì)分析數(shù)據(jù)基本一致，巷幫煤體強度平均值為14.75 MPa，巷道頂板煤體強度平均值為15.8 MPa，Ⅱ3#煤層煤體強度普遍不高，淺層煤體強度較低。

圖3 巷幫煤體強度曲線

圖4 頂板煤體強度曲線

表1 Ⅱ3#煤層實驗室力學(xué)性質(zhì)參數(shù)

2.2 圍巖控制中護表配件效果分析

為研究托頂煤巷道使用錨桿、錨索支護時，護表配件在巷道圍巖控制中的效果，采用數(shù)值仿真模擬平臺對同預(yù)緊力的情況下，使用不同護表配件時巷道圍巖的應(yīng)力顯現(xiàn)情況進行仿真模擬[12-15]，在不考慮圍巖原始應(yīng)力的情況下，模擬數(shù)據(jù)采用實驗室力學(xué)性質(zhì)分析結(jié)果如表1所示，頂煤密度為1 500 kg/m3，黏聚力值為2.21 MPa，內(nèi)摩擦角為36.8°。模擬方案如表2、表3所示。

表2 模擬方案1

表3 模擬方案2

同預(yù)緊力下使用不同護表配件時頂煤預(yù)應(yīng)力分布情況如圖5所示。對方案1 進行模擬時，頂煤表面在錨桿配件位置會形成彼此獨立的壓應(yīng)力區(qū)，與錨索配件位置形成的壓應(yīng)力區(qū)有部分疊加，但無法完全輻射到全部頂煤。對方案2 進行模擬時，頂煤表面的壓應(yīng)力區(qū)在每根錨桿位置呈不規(guī)則圓形分布，同時明顯向各個方向擴散，相互連接，與錨索配件位置形成的壓應(yīng)力區(qū)有疊加效應(yīng)。結(jié)果表明：護表配件面積越大，頂煤預(yù)應(yīng)力擴散范圍越大，能夠降低錨桿對頂煤的拉伸破壞效果，改善頂煤的受力環(huán)境，增加穩(wěn)定性。

圖5 不同護表配件頂煤預(yù)應(yīng)力分布

3 現(xiàn)場實踐及效果分析

新村煤礦以首采面回風(fēng)巷為實踐地點，對大斷面托頂煤掘進巷道進行預(yù)應(yīng)力提高以及增加護表構(gòu)件表面積的支護應(yīng)用，并對支護效果進行分析。

3.1 支護方案

新村煤礦首采面位于Ⅱ3#煤層內(nèi)，回風(fēng)巷掘進斷面為高4.2 m，寬5.4 m 的矩形巷道，在掘進過程中托頂煤厚度為4 m。根據(jù)現(xiàn)場地質(zhì)條件以及仿真模擬結(jié)果，決定在回風(fēng)巷掘進期間采用規(guī)格為Φ20 mm×2 400 mm 的全螺紋錨桿，頂板錨桿按1 000 mm 的間排距打設(shè)，巷幫錨桿按900 mm 間距，1 000 mm 排距打設(shè)，最小預(yù)緊扭矩為400 N·m，采用樹脂加長錨固，錨桿護表配件采用250 mm×250 mm×10 mm 的托板，最小拱高為34 mm，并使用鋼筋網(wǎng)和金屬網(wǎng)分別對頂板及巷幫進行加固。錨索規(guī)格為Φ17.8 mm×4 300 mm，按2 000 mm 間排距打設(shè)，錨索護表配件采用300 mm×300 mm×14 mm 的拱形托板，最小預(yù)緊力為150 kN。回風(fēng)巷支護參數(shù)如圖6所示。

圖6 回風(fēng)巷支護參數(shù)（單位/mm）

3.2 效果分析

在對回風(fēng)巷采用上述支護方案后，對支護后的巷道進行了圍巖變形量現(xiàn)場監(jiān)測，巷道表面圍巖變形曲線如圖7所示，圖中可看出巷道頂板下沉量不足70 mm，巷道兩幫變形量不足100 mm，支護效果得到了明顯提升，并且通過鉆孔窺視圖可以觀察到在錨桿、 錨索支護范圍內(nèi)的頂煤僅在0.6 m 以下部分存在裂隙發(fā)育，深部煤體十分穩(wěn)定，證明了增加護表配件表面積能夠有效增強頂煤的穩(wěn)定性，達到了預(yù)期目標。

圖7 回風(fēng)巷圍巖變形曲線

4 結(jié)語

新村煤礦為解決托頂煤掘進巷道因頂煤強度不足，穩(wěn)定性差而造成的支護難題，通過現(xiàn)場測試、實驗室分析以及數(shù)值模擬等研究方法，發(fā)現(xiàn)在使用錨桿、 錨索進行聯(lián)合支護時配備較大面積的護表配件能夠有效提高預(yù)應(yīng)力在頂煤中的擴散效果，降低錨桿之間的拉伸效果對頂煤煤體的破壞性，增強頂煤的整體性和穩(wěn)定性。對大斷面托頂煤掘進巷道的圍巖變形有良好的控制效果。