大同矿区特厚煤层巷道支护技术研究

2018-09-28侯程

中国煤炭 2018年9期

侯程

(北京科技大学土木与资源工程学院，北京市海淀区，100083)

同煤集团为我国特大型煤炭企业，现阶段煤炭开采逐渐由侏罗纪煤层转入石炭二叠纪煤层，煤层开采厚度大。以同忻矿为例，煤层厚度平均在15～17 m以上，火成岩侵入3-5#煤层上部6 m左右。目前巷道支护主要采用锚杆支护，作为一种主动支护形式，能有效提高围岩强度及其承载能力，但煤巷锚杆支护设计方法主要采用工程类比法和经验法，设计者的主观随意性对设计方案影响很大，在实际应用中均暴露出一定的缺点和局限性，所以有必要对煤巷锚杆支护设计进行研究分析，并对支护效果进行监测，得出较好的支护效果和合理的支护方案。

1 工程地质概况

同忻矿8106工作面地表位于辛庄村西北方向，切眼往外120 m处对应地面有煤峪口矿西一风井(已废弃)，地面标高为1205.3～1303.5 m。上覆为煤峪口矿侏罗系9#、11#、14#煤层采空区。

工作面为一进二回三巷布置，3条巷道相互平行且与盘区3条大巷呈88°，其中2106巷、5106巷沿3-5#煤层底板布置，8106顶回风巷沿3-5#煤层顶板稳定岩层开掘，煤层厚度为12.14～23.43 m，平均7.63 m，纯煤厚6.65 m，结构复杂，含夹矸3层，岩性为泥岩、砂质泥岩或高岭岩，平均厚度约1 m。煤层厚度3～5 m，煤层倾角1°～4°，平均倾角2°，属近水平煤层。煤岩类型半暗型，煤种为长焰煤。岩墙揭露处使煤变质，烧变范围预计约0.3～1 m。

2 高强度锚杆支护设计

2.1 初始设计支护参数确定

巷道围岩的破坏范围、垂直应力、水平应力分布相差很小，顶板的破坏范围主要是顶煤，顶板砂岩内水平应力较大，垂直应力相对较小。同时考虑到地应力的作用下，顶煤松软时，为保证支护强度，有效遏制顶煤破坏，不宜将锚杆排距设计过大。

此外，通过类似工作面的工程地质和生产条件调查，发现采用塑料网+钢带支护效果欠佳、巷帮支护构件效果欠佳、锚索托板传递应力效果欠佳。因此，综合巷道支护经验及以上问题后确定了巷道支护方案如下：

锚杆：顶锚杆采用ø20 mm×2400 mm左旋无纵肋螺纹钢锚杆，配套使用钢带、碟形垫(130 mm×130 mm×10mm)、球形帽、塑料摩擦垫和加厚螺母；联络巷帮锚杆采用ø18 mm×2000 mm左旋无纵肋螺纹钢锚杆，配套使用钢托板(250 mm×250 mm×10 mm)、碟形垫(110 mm×110 mm×10 mm)、球形帽、塑料摩擦垫和加厚螺母；右帮采用ø18 mm×2000 mm左旋无纵肋螺纹钢锚杆，配套使用W型钢带护板(450 mm×220 mm×4 mm)、碟形垫(110 mm×110 mm×10 mm)、球形帽、塑料摩擦垫和加厚螺母；左帮采用ø20 mm×2000 mm玻璃钢锚杆。

锚索：采用ø21.8 mm×8000 mm钢绞线，顶锚索配套250 mm×250 mm×16 mm钢托板、KM22型锚具，角锚索配套800 mm长的11#矿用工字钢、KM22型锚具；

金属网：顶和帮金属网采用ø4 mm铅丝，网孔规格为100 mm×100 mm，顶金属网尺寸为7.5 m×1.2 m，帮部金属网尺寸为3 m×4 m。

锚固剂：选用MSK2360型树脂药卷，每根锚杆装1支药卷，锚固长度600 mm；每根锚索装2支药卷，锚固长度1200 mm。

巷道交岔点部分顶板均补打锚索，锚索均采用ø21.8 mm×10000 mm钢绞线；锚固剂选用MSK2360型树脂药卷，每根锚索装2支药卷，锚固长度1200 mm；托板均选用250 mm×250 mm×16 mm钢托板；锚具均选用KM22型锚具。

支护参数及要求如下：

顶锚杆：联络巷每排6根、工作面平巷每排7根，间排距900 mm×800 mm。锚杆与顶板岩壁的夹角不低于75°，靠两肩角锚杆施工角度为80°且向煤帮的方向，锚杆外露长度10～40 mm，间排距误差为±100 mm，碟形垫压钢带将其紧贴壁面利用螺母紧固，锚杆锚固力不得小于85 kN/架，预紧力不得小于200 N·m。

帮锚杆：一侧每排4根，间排距900 mm×900 mm，紧靠顶板处的帮锚杆距顶板150 mm，与巷帮夹角为80°向上施工，锚杆外露长度10～40 mm，间排距误差为±100 mm，托板紧贴壁面，螺母紧固，不松动，锚固力不得小于85 kN/架，预紧力不小于200 N·m。玻璃钢锚杆锚固力不得小于60 kN/架，预紧力不小于40 N·m。

金属网：在巷道顶角处帮网与顶网不得搭接，必须铺设整体网，网铺平铺展，紧贴顶帮，搭接合理。网与网之间的搭接长度为200 mm，用14#铅丝双股连接，联网间距不大于200 mm，绑扎牢固，扭结不少于3圈。

2.2 数值模拟结果分析

通过FLAC模拟软件计算得出8106工作面巷道支护前和支护后的围岩水平应力、垂直应力和塑性区分布云图分别如图1、图2和图3所示。

图1 水平应力云图

由图1、图2和图3可以看出，巷道顶底板围岩主要受水平应力作用，巷道两帮围岩主要受垂直应力作用。按照设计参数进行支护以后，巷道围岩应力集中区域得到有效控制。在平巷支护前，巷道顶板与水平应力集中区相距约1.6 m，巷道两帮与垂直应力集中区距离约1.8 m；平巷完成支护后，两帮垂直应力集中区变为1.2 m，顶板水平应力集中区减小至0.9 m。因此，支护后巷道表面围岩承载能力得到了提高，围岩应力集中区明显向巷道表面移近，围岩应力状态显著得到改善。

图2 垂直应力云图

图3 塑性区分布云图

3 支护观测及分析

依据8106工作面上下两条平巷布置的实际情况，进行顶板离层观测、顶锚杆受力观测、围岩表面及围岩深部位移观测等。在2106工作面平巷布置了1个观测断面，平巷试验段布置3个观测断面。

3.1 锚杆拉拔力检测结果与分析

现场分别抽取8根顶锚杆和帮锚杆，拉拔力试验结果见图4。

由图4可知，顶板锚杆锚固力均大于设计锚固力80 kN，两帮锚杆锚固力均在60 kN以上，均满足设计要求，锚固效果良好。

3.2 顶板离层观测结果与分析

根据顶板分层及锚杆长度情况，指示仪深部基点布置在顶板深部10 m处，浅部基点布置在锚杆的端部2.5 m处，试验数据如图5所示。

图4 锚杆拉拔力试验结果

图5 顶板离层仪观测数据曲线

由图5可知，在锚固区内平巷顶板最大离层值约为7 mm，1#观测点在40 d范围附近基本处于稳定状态，2#观测点在50 d范围附近基本处于稳定状态，3#观测点在45 d范围附近基本处于稳定状态；采用端头锚杆支护支护区顶板外最大离层值为14 mm，1#观测点在40 d左右逐渐趋于稳定，2#观测点在45 d左右逐渐趋于稳定，3#观测点在50 d左右逐渐趋于稳定。说明平巷巷道锚固效果显著，支护参数选择合理，巷道顶板基本处于可控的稳定状态。

巷道围岩表面位移观测结果与分析如图6所示。

图6 巷道表面位移观测数据曲线

由图6可知，平巷顶底板最大移近量65 mm，两帮最大移近量75 mm，显示平巷变形有所降低。

巷道围岩深部位移观测结果与分析如图7所示。

图7 帮部多点位移计观测数据曲线

由图7可知，1#观测点深度2.1 m，帮部范围21 d以内一直发生变形，但变形速度逐渐下降，1.2 m范围内的平巷两帮变化约为19 mm，1.5～2.5 m范围内的帮部形变基本超过6 mm，2.5 m周围的帮部变形量最大，达到27 mm，是整个帮部变形总和的68%；深度2.5 m以外的巷帮基本没有变形，且变形的间隔相对缓慢。2#观测点2.5 m范围内的巷帮也出现明显的变形，在22 d之后变形量基本趋于稳定，其变形量是变形总量的70%，1 m范围内的帮部变形量约为15 mm，1～2 m范围内的帮部变形量为8 mm；2 m范围外的总变形量为11 mm。整体支护效果良好，实际效果如图8所示。