特厚煤层大断面强烈动压巷道支护技术

2020-01-08崔建兵

山西焦煤科技 2019年11期

崔建兵

(山西西山晋兴能源有限责任公司，山西兴县 033602)

斜沟煤矿23105皮带巷沿13#煤层底板掘进，煤层平均厚度14.5 m，断面面积达20.9 m2，与23103工作面采空区相邻。其同类型巷道23101材料巷同样临近23103采空区，由于原巷道掘进时两帮采用d20 mm×2 100 mm全螺纹玻璃钢纤维锚杆支护，初始支护强度不足，其次该巷道距23103采空区净煤柱宽度仅12 m，回采过程中，临近采空区顶板的再次活动同本工作面回采超前压力相互叠加，动压显现，在回采期间出现大量的螺纹钢锚杆、玻璃钢锚杆和锚索破断现象，巷道两帮位移量达到1.5 m以上。预测23105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，为避免23105皮带巷出现同类问题，对巷道两帮进行支护。

1 工程地质条件及围岩测试分析

斜沟煤矿23105工作面临近23103采空区，净煤柱宽度为20 m；13#煤层厚度平均为14.5 m；基本顶为粉砂岩，平均厚度为4.0 m；直接顶为泥岩，平均厚度为5.0 m. 巷道沿底板掘进，顶板10 m范围强度测试结果见图1，煤帮10 m范围强度测试结果见图2.

图2 帮部煤体强度测试结果图

1) 由图1可知，顶板10 m范围内煤层强度上下波动，顶煤强度最大为31.84 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，孔口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。

2) 由图2可知，煤层强度最低为11.86 MPa，最大为24.9 MPa，平均强度为17.7 MPa，帮部煤体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。

2 特厚煤层大断面强烈动压巷道稳定性分析

2.1 巷道变形机理分析

特厚煤层采高大，工作面后方顶板随着回采工作面向前推进逐步垮落，采空区顶板的垮落会引起更大范围顶板的活动，矿压显现剧烈。采空区顶板的垮落不仅会引起顶板垂直方向的移动，同时会引起水平方向移动，且沿采空区侧向煤柱上高复合应力集中，使得煤柱和实体煤上方往往赋存着较大的动态支承压力，掘进巷道时，会引起采空区的二次扰动，见图3. 而对于特厚煤层沿底掘进巷道，巷道位于赋存高应力的煤层，同时由于巷道的跨度达到5.5 m，高度达到3.8 m，巷道的跨度加大，使得巷道周围的破碎区扩大，表现为裂隙扩展、散体滑动和节理错动等。顶板发生屈曲破坏的临界应力越小，顶板就越易失稳，同时由于水平应力集中容易引起巷道两帮水平移动，挤压顶板折断和底板鼓起。

图3 沿空掘巷应力分布状态图

2.2 强烈动压巷道围岩应力分析

为了分析23103采空区残余支承压力对23105皮带巷的影响，采用离散元数值计算软件UDEC，模拟计算了23103工作面采空后及23105皮带巷掘进期间围岩的应力变化及分布特征，模型尺寸为3 200 mm×1 200 mm. 23105皮带巷沿23103采空区掘进后煤柱上形成的支承压力集中及围岩屈服状况见图4，图5.

图4 支承压力分布图

图5 围岩屈服状态图

1) 工作面回采后，采空区上覆岩层结构处于动态变化过程，同时特厚煤层综放工作面顶板岩层垮落高度大，岩层活动更为剧烈，导致煤柱中赋存着很大的动态支承压力，采空区稳定需要经历很长时间，当临近巷道掘送及受回采影响时，对上覆岩层进行再次扰动，压力显现尤为剧烈。

2) 23105皮带巷掘进后，靠近采空区侧煤体中支承压力峰值为21.38 MPa，应力集中系数为2.5，支承压力峰值距离巷帮2.8 m，该应力集中程度较23103工作面回采形成的支承压力峰值提高20.8%；实体煤侧支承压力峰值为21.25 MPa，应力集中系数为2.5，支承压力峰值距离巷帮距离为2.3 m，支承压力峰值略低于煤柱侧。

3 巷道支护设计

根据上述理论数值分析，以23105工作面地质资料、13#煤现有工作面巷道支护状况、地质力学测试成果、理论分析及数值计算分析结果作为支护形式与参数确定的依据，将23105皮带巷掘进断面形状设计为矩形，断面宽度5 500 mm，高度3 800 mm，掘进断面积20.9 m2. 巷道沿13#煤层底板掘进，采用高预应力强力树脂锚固锚杆锚索组合支护系统进行巷道支护，补偿围岩侧向应力损失，阻止围岩内部节理、裂纹的扩展。强化帮部支护，降低起锚高度，有效的减少由于应力集中而引起的巷道底鼓问题，见图6.