22608工作面底抽巷全锚索支护技术研究

2018-11-01柳阳

山东煤炭科技 2018年10期

柳阳

（西山煤电（集团）有限责任公司，山西太原 030053）

1 概况

西山煤电官地矿22608工作面处于官地矿中六采区+1051m水平，开采2#煤层，平均厚度为2.65 m，煤层顶板为砂质泥岩、细砂岩，煤层底板为细砂岩，含有0～1层夹矸。煤层走向大致呈NW-SE，倾向SW，煤层倾角为1°～10°，采区内中小断层较发育，煤层透气性系数为0.615 m2/（MPa2×d），属可抽采煤层。测定瓦斯涌出量为25～35 m3/min，煤层为Ⅲ类不易自燃煤层。

官地矿2#煤层与3#煤层间距为6 m，通过在下组3#煤层中布置底抽巷来服务于2#煤层，如图1所示，其中22606工作面尚未回采。由于上下煤层之间的层间距较小，在已回采的22607工作面下方的底抽巷破坏严重，基本报废。因此在相似地质条件下的22608工作面回采过程中，上组2#煤层回采时产生的动压扰动现象会严重影响到3#煤层的底抽巷，使得3#煤层中的22608工作面底抽巷支护困难，因此需要对底抽巷的围岩支护技术进行研究。

图1 巷道布置示意图

2 工作面围岩性质及强度测试

设计支护之前需要掌握22608底抽巷围岩性质及地应力水平，因此需要进行地质力学测试，以便为巷道支护提高参考[1-2]。

（1）围岩性质。通过围岩结构窥探，发现在巷道顶板6.5m的范围内存在3种结构，其中在顶板上方0～4.1m为泥岩，性质疏松，强度低，裂隙发育，胶结性差，出现的顶板离层较多；在4.1～6.3m范围内为细砂岩，强度较高，结构较为致密，裂隙发育较少；在6.3～6.5 m范围内为煤结构，相较顶板岩层松软破碎，裂隙较多。

（2）强度测试。通过顶板围岩强度测量发现顶板的泥岩结构强度平均值为22.6 MPa，细砂岩的强度平均值为71.7 MPa，上部煤体的强度较差，为12.33 MPa。在底抽巷顶板4.1 m范围内为松软破碎的泥岩，强度低，易跨落，因此在进行支护时需要进行是否可锚的验证，否则会造成支护的浪费与失效。

（3）地应力测定。通过在巷道的地应力测定，发现水平方向的地应力最大为14 MPa，巷道垂直方向的最大地应力为15.55 MPa，二者数量上基本相等。地应力较高，应力场主要来源为垂直方向的覆岩自重及水平方向的围岩挤压作用。

通过以上的地质力学测试分析，可以看出22608底抽巷顶板强度低，离层现象较为严重，同时地应力较大，在开采时必然会面临较大的应力扰动现象，支护设计具有一定的难度[3]。

3 回采动压显现的数值模拟研究

3.1 数值模型

为了模拟底抽巷在上方工作面回采过程中的矿压显现特征，根据地质力学测定结果，建立如图2所示的数值模型，模拟在22606及22608工作面回采过程中底抽巷的变形破坏特征。

图2 数值模型

模型参数如表1所示。

表1 模型参数

3.2 模拟结果分析

在上部22606及22608工作面回采后，底抽巷的顶板应力变化及围岩变形情况如图3和图4所示。

图3 巷道应力变化图

图4 巷道变形情况图

从图3和图4可以看出，22606工作面回采对于22608底抽巷顶板应力变化影响不明显，仅有较小幅度的增加，同时巷道中的围岩变形量也保持平稳状态。22608工作面回采对于底抽巷的应力及变形影响较大，从图3可以看出在距工作面超前50 m时应力变化剧烈，巷道围岩也发生较大幅度的变形，顶板累计下沉140 mm，底鼓61 mm，22608工作面回采产生的动压对底抽巷的稳定性产生了明显影响。回采工作面通过底抽巷上部后，使得底抽巷上部变为采空区，应力减小，在其后回采活动中底抽巷所受到的应力小于原来的扰动应力水平。因此，需要针对上部工作面回采通过底抽巷上端时的应力及变形情况作相应的支护设计，就可以满足3#煤层底抽巷的稳定性要求[4-5]。

4 巷道支护设计

在已回采的22607工作面底抽巷采用锚杆、锚网索联合支护的方法。其中顶板支护选取直径为20mm、长度为2400mm的高强锚杆，配合金属平网和槽钢进行加强支护；巷道两帮支护采用直径20mm、长度2400mm的高强锚杆配合金属平网进行联合支护，两帮以2000mm的间距布置直径为17.8mm，长4200mm的锚索，预紧力不小于100kN，以加强对顶板和两帮变形作用的控制。

采用上述的锚杆+锚索+钢筋网支护方式，22607工作面回采过后底抽巷变形破坏严重，不能满足22607工作面其后的需要，因此需要对原有的支护设计进行优化加强。

4.1 底抽巷支护技术优化

（1）通过地质力学测试发现底抽巷顶板0～4.1m为泥岩，顶板离层较多，节理裂隙较为发育。锚杆支护的锚固力仅为70 kN，因此不适合该地质条件下的支护，选用锚索支护可满足支护要求。

（2）泥岩厚度大于4m，因此锚索的设计长度也应大于4m。

（3）泥岩强度平均为22.6 MPa，在设计锚索长度为4.3 m时，可以支护全部的泥岩范围，通过现场的抗拉拔试验，发现在500 kN时锚索仍具有较好的锚固力，因此可以满足顶板泥岩支护的需要。

因此设计底抽巷全断面高预应力锚索支护，采用22-1×7-4300高强度低松弛预应力钢绞线，预紧力为250kN，配合树脂锚固剂进行锚固。支护如图5所示。顶板支护锚索间距为1200mm，两帮间距为1100mm，所有锚索垂直岩层安装。

图5 全断面锚索支护图（单位：mm）

4.2 支护效果监测

为了观测底抽巷顶板离层位移和巷道两帮的变形情况，在底抽巷内布置一套顶板离层位移检测仪和围岩变形监测仪，对掘进过程中底抽巷的位移变形进行密集监测。安装初始，需要每天观测一次。在观察一定天数之后，如果监测数据趋于稳定或规律化，可以适当地改为每5 d或10 d观察一次。通过对所有的监测仪数据观察，选取位移变形变化最大的区段进行进一步的观察并进行分析。通过对比在进行支护前后的顶底板位移量和两帮变形量，顶板最大下沉量为42mm，两帮最大变形量为31mm，说明优化后的支护设计能够有效控制顶底板和两帮的变形，支护效果良好。