杜家沟矿607 工作面沿空掘进巷道支护方案研究

2019-07-16谢建生

山西冶金 2019年4期

谢建生

（霍州煤电集团河津杜家沟煤业有限责任公司，山西河津 031400）

1 矿井概况

霍州煤电集团河津杜家沟煤业有限责任公司（全文简称杜家沟矿）位于河津市清涧杜家沟村西北约3 km 处，矿井井田位于吕梁山脉南缘，临汾盆地的西南山地，汾河、黄河交汇的三角地带，井田总体地势为东部高，西部低。现主要开采煤层为2 号、10号煤，10 号可采煤层厚2.85 m，平均倾角6.8°。607工作面的皮带巷与608 工作面相邻，之间留有20 m的煤柱，相邻的608 工作面已回采完毕，顶板岩层处于平稳状态。正常状况下，对临近巷道的影响较小，但607 材料巷同样与608 采空区相邻，巷道与采空区之间留有15 m 的煤柱，受到工回采影响巷道严重受损，顶板支护锚杆、锚索出现断裂情况，为了保障工作面的正常回采在巷道中打设了大量的锚索，导致巷道支护成本明显提高，同时给工作面正常回采造成了影响。由于工作面开采煤层厚度大，虽然608工作面已经采完较长的时间，但在607 工作面回采过程中会对原本已经相对稳定的岩层产生二次扰动，引起相邻采空区顶板岩层的再次运动，对保护煤柱形成载荷冲击，巷道围岩破坏严重，因此对原巷道支护方案进行优化非常重要。

2 巷道围岩力学特征分析

2.1 巷道围岩结构分析

为得到巷道顶板内裂隙构造分布情况，在607工作面皮带巷进行了现场监视，根据现场监视结果，可得出以下结论：

1）10 号煤层巷道多沿底板掘送，顶板为厚顶煤，巷道顶板2.0 m 范围内煤层存在纵向裂隙，一般状况下锚杆锚固在此范围；而在顶煤深部位置基本无裂隙等构造存在，顶板整体处于稳定状态，锚索锚固在此范围内锚固性能好，当锚索锚固力达到要求时，完全可以将锚索锚固在煤层中。

2）煤层上方岩层岩性主要为泥岩与砂岩等，岩层致密坚硬，具有较好的稳定性，裂隙等构造极少，利于维护顶部岩体的整体稳定性。

分析结果表明，巷道上方顶煤主要在浅部区域存在着较多裂隙，而在深部位置煤岩体均处于比较稳定的状态，因此对巷道顶板浅部围岩进行合理支护即可对顶板起到较好的控制作用。

2.2 巷道围岩强度测试

由于巷道顶板与两帮均属于煤体，对各位置煤体的强度进行测试可为巷道支护方案设计提供基础性数据。对巷道的顶板和两帮10 m 范围内的围岩强度进行了测量，结果如图1，下页图2 所示。从图1，2中可以得到：

图1 顶板煤体强度测试结果

1）顶板10 m 范围内煤层强度上下波动，顶煤强度最大为32.84 MPa，最低强度仅为9.58 MPa，平均强度为23.20 MPa，硬度普氏系数为2.3，同地质资料中煤层硬度2～3 相当，孔口0～2.5 m 范围内裂隙发育程度较高，因此相对应的煤层强度也低，可见围岩节理裂隙对于围岩的强度具有显著的影响，除孔口位置煤层强度低外，深部煤体的强度偏高，这对于保持自身稳定性具有重要的作用，顶煤的强度较高，也有利于锚索的锚固。

2）煤帮强度测试结果显示，煤层强度最低为11.86 MPa，最大为24.9 MPa，平均强度为17.7 MPa，帮部煤层的强度整体低于顶板煤体的强度，但是通过煤层强度可以看出煤层的均一性较好，强度波动幅度小，较为稳定，对维护巷道帮部的稳定性非常重要。

图2 帮部煤体强度测试结果

2.3 巷道围岩地应力测试

通过对607 工作面皮带巷不同位置的地应力进行监测统计出地应力测试结果详见表1。

表1 地应力测试结果

从测量数值上可以看出，该区域的原岩应力处于中等水平，对巷道产生较大影响的应力主要为水平应力，水平主应力的最大值为11.8 MPa，单从应力大小来讲，对巷道稳定的影响作用较小；由于该巷道的埋深约为343 m，理论计算的垂直应力约为8.55 MPa，测试结果显示最大水平主应力＞垂直应力＞最小水平主应力，因此认为该区域应力场属于重力型应力场。607 皮带巷沿正北布置，最大水平主应力方向为N22.9°W-N24.1°W，可以看出，两者的夹角在14.95°～16.6°之间，巷道的布置方位近似于最佳方向，因此水平应力的巷道围岩的破坏几乎不产生影响。

3 巷道支护方案的优化设计

3.1 原支护方案

该巷道断面形状为矩形，巷道宽×高：5.5 m×3.8 m，巷道原支护方案。

1）顶板锚杆采用直径22 mm、长度2 600 mm 的左旋无纵筋螺纹钢锚杆，锚杆的间距为850 mm，相邻两排锚杆距离为900 mm；两帮锚杆采用直径20 mm、长度2 100 mm 的全螺纹玻璃钢锚杆，两帮锚杆采用相同的布置方法，间距为1 200 mm，相邻两排锚杆距离为900 mm。

2）顶板锚索采用三花布置方法，锚索为直径21.6 mm、长度12 000 mm 的钢绞线，同一排内的锚索之间距离为3 400 mm，相邻两排锚索之间的距离为1 800 mm。

3）采用W 钢带对顶板进行保护，钢带的长度设计为5 300 mm、宽度为250 mm、厚度为3 mm。

对原支护方案分析可知，原支护方案可对顶板有效控制作用，但对两帮的支护强度较低，无法控制两帮变形，由于巷帮的支护多采用玻璃钢锚杆，支护强度低，护帮能力差，在来压时易发生剪切破坏，对于动压巷道而言，帮部支护尤其重要，帮部控制不住会引起顶板的控制难度大大增加，动压巷道很重要的一个表现就是巷帮变形大，当巷帮发生水平移动时，非常容易引起顶板和底板的水平挤压变形，巷道底板还易发生底鼓；同时顶板在水平挤压过程中，还易导致钢带折断、锚杆破断等问题，加强对帮部支护非常必要。

3.2 巷道支护方案优化设计

根据上述分析，本支护方案将对两帮进行加强支护，优化原有支护方案，具体支护方案如下：

1）顶板锚杆支护参数不变，主要对锚索进行优化，锚索采用直径为21.6 mm，长度为8 300 mm 的高强度低松弛预应力钢绞线，每排布置4 根锚索，间排距为1 700 mm×1 800mm。W 钢带参数保持不变，采用长度5 300 mm、宽度250 mm、厚度3 mm 的W 钢带进行护顶。顶板在原有支护系统中加入菱形金属网进行护顶，网片大小为6 500×1 000 mm，网孔大小为50 mm。

2）鉴于原支护方案对两帮的支护强度低，需对两帮进行加强支护。巷道两帮分别为煤柱侧煤帮与工作面帮，对两帮分别采用不同的支护方案。第一，煤柱侧煤帮。巷道保护煤柱在受到多次采动影响下，煤柱容易出现失稳情况，所以对煤柱帮支护强度需进行提高。巷道实体煤帮采用直径22 mm、长度2 600 mm 的左旋无纵筋螺纹钢锚杆，每排布置4 根锚杆，锚杆之间的距离为900 mm，相邻两排的距离为900 mm，靠近顶底板的两根锚杆与水平夹角为10°。对巷道实体煤帮采用锚索进行补强支护，同时采用W 护板与菱形金属网进行护帮。锚索采用直径17.8 mm、长度4 300 mm 的高强度低松弛预应力钢绞线，每排布置一根锚索，每排锚索之间的距离为1 800 mm，垂直于巷帮布置。W 护板长度为400 mm，宽度为280 mm，厚度为3 mm。菱形金属网网孔大小为50 mm，网片大小为2 800 mm×1 000 mm。第二，工作面煤帮。巷道工作面煤帮受到相邻采空区影响较小，因此锚杆规格参数不变，仅在原有支护方案基础上加入W 护板进行补强支护。W 护板长度为400 mm，宽度为280 mm，厚度为3 mm。上述巷道支护方案布置如图3 所示。巷道在支护过程中应定期对锚杆、锚索的锚固力进行测量，保证巷道支护的强度。