工作面巷道支护机理的研究及应用

2020-03-14郝旭

机械管理开发 2020年1期

郝旭

（西山煤电股份有限公司西铭矿，山西太原 030052）

引言

随着采煤技术和综采设备自动化水平的不断提升，对工作面巷道支护技术及质量提出了更高的要求和挑战。尤其在地质条件复杂化、巷道埋深增加、开采深度及强度不断增加等复杂的形势下提升了巷道支护的难度。经研究表明，我国综采工作面巷道支护经历了木支护、砌碹支护、锚杆支护等过程[1-3]。与其他支护方式相比，锚杆支护由于其支护效果佳、支护成本低、作业人员劳动强度低等优势目前被广泛应用于综采工作面巷道的支护中，成为巷道支护的首选方式。本文以西铭矿为研究对象，在分析巷道支护机理的基础上，针对西铭矿西部下组煤回风巷的支护进行详细设计。

1 工作面概述

西铭矿西部下组煤回风巷所掘8号煤层节理发育，结构复杂；8号煤上分层厚度0.55～1.0 m，平均0.60 m；煤层上部夹石为0.10～4.3 m，平均2.5 m左右页岩。下分层煤层厚度2.40～3.50 m，平均2.95 m，下部夹0.2 m左右的页岩或炭质页岩，厚度变化不大，属单一稳定的中厚煤层。根据西部下组煤胶轮车巷瓦斯涌出量资料预测该工作面掘进期间瓦斯绝对涌出量为2 m3/min。工作面所属采区及开采煤层无瓦斯动力现象，无煤与瓦斯突出现象。工作面所采煤层经鉴定属于有煤尘爆炸性，爆炸性指数为15.38%，自燃倾向性为Ⅱ级，属自燃煤层。地温为8～9℃。工作面局部压力较大。

该工作面煤层顶板和底板情况如表1所示。

通过对该巷道的矿压进行监测得出：该巷道垂直方向的应力平均值为12.72 MPa，水平方向的应力平均值为6.23 MPa。

表1 工作面煤层顶板、底板情况

2 支护技术研究

2.1 支护分析

结合西铭矿西部下组煤回风巷的地质、水文以及煤层特征，基于FLAC3D软件搭建该巷道内的仿真模型，并对其应力分布和位移变化规律进行仿真分析，进而确定该巷道支护方案。基于FLAC3D所搭建的数值模拟模型如图1所示。

图1 回风巷道数值模拟模型

该巷道煤柱内围岩应力分布仿真结果如下页图2所示。

如图2所示，煤柱内围岩应力在垂直方向最大值为72 MPa，远大于围岩应力值12.72 MPa；煤柱内围岩应力在水平方向最大值为10.88 MPa，远大于围岩应力值6.23 MPa。经数值模拟分析可知，该巷道围岩在垂直方向为应力增高区。因此，该巷道需采用锚杆+锚索的支护方案才能起到支护效果，才能够控制巷道围岩的应力，避免由于应力集中造成对巷道的破坏。

图2 数值模拟结果

2.2 支护原则

经对锚杆支护应力曲线和巷道围岩响应曲线分析后，若想锚杆支护达到最佳支护效果应采用高预应力、强力支护的策略。具体从以下几个方面着手强化锚杆支护的效果和质量[4]：

1）确保巷道围岩的整体性，将不连续变形控制到最小；

2）根据工作面实际情况确定锚杆支护的最佳预应力，并采用钢带、金属网等护件将支护预应力的效果发挥到最佳；

3）根据工作面实际情况确定锚杆支护系统的临界支护刚度，要求锚杆支护刚度大于或等于临界支护刚度，进而使巷道围岩变形得到有效控制[5]。

3 锚杆支护的应用

3.1 工作面条件的分析

工作面上覆石灰岩含水层局部富含裂隙水，施工中会有淋水出现，局部淋水较大，对掘进有一定影响，在工作面要配备排水能力不小于30 m3/h的排水设备，加强排水。

工作面伪顶为页岩，破碎易冒落；直接顶石灰岩局部地段裂隙发育；8号煤上夹石最厚处4.3 m纵向节理特别发育，在掘进施工中（特别是遇断层、陷落柱等地质构造时），要采取相应的安全措施，加强煤帮及顶板管理，确保施工安全。

3.2 巷道支护工艺的设计

通过对巷道支护参数（锚杆长度、锚杆直径、顶锚杆间距、顶锚杆排距、帮锚杆间距、帮锚杆排距）的计算，设计如下支护工艺。（由于篇幅有限，此处不对计算过程进行详细说明）巷道为矩形断面，顶部采用锚杆、钢筋网（规格2 400 mm×1 600 mm）、长4.6 m W型四眼钢带、锚索联合支护，顶锚杆矩形布置，间排距1 400 mm×1 500 mm。护帮采用锚杆、钢筋网（规格1 100 mm×3 700 mm）联合支护，帮锚杆矩形四排布置，间排距1 000 mm×1 000 mm，上排距顶300 mm。锚索采用Φ17.8 mm×5 400 mm的预应力钢绞线，单排间距3 m，线形布置，垂直顶板打设在两排锚杆中间。初喷距工作面不超过12 m，复喷距工作面最大距离不超过100 m。