马兰矿迎采动掘进巷道围岩应力与支护研究

2020-06-11马淑飞

山西冶金 2020年1期

马淑飞

（西山煤电集团有限责任公司马兰矿，山西太原 030200）

西山煤电集团有限责任公司马兰矿（全文简称马兰矿）目前主采8 号煤层，稳定全区可采，煤层平均厚度4.5 m，直接顶为2.3 m 泥灰岩，基本顶为6.6 m 粉砂岩，直接底为3.5 m 砂质泥岩。采用单翼布置顺序接替的采掘布置方式，工作面布置图如图1 所示。

图1 工作面布置图

18504 工作面的回采与18506 工作面回风顺槽掘进在时空上平行作业，相向进行。由此导致上一工作面的回采势必对下工作面相邻巷道的掘进产生较为强烈的动压影响，具体表现为巷道靠近上工作面回采侧帮部破碎、顶板一侧下沉量较大、部分地段底鼓、部分锚杆索张拉断裂。针对这一巷道矿压显现特征，围绕迎采动掘进巷道围岩应力分布特点，采用高预应力组合支护技术，对18506 回风顺槽进行巷道支护方案参数优化，现场工业性实验结果表明，采用优化后的支护方案，巷道表面位移量得到了较好的控制，矿井的正常生产得到了有效的保障。

1 掘巷期间围岩应力赋存规律

18506 工作面回风顺槽沿8 号煤层底板掘进，在整个掘进过程中将经历三个不同阶段的围岩变形破坏特征。

1.1 巷道沿实煤体掘进阶段

在此阶段掘进的巷道，其巷道围岩都是没有经历过采动影响的地质体，结构相对完整，围岩应力赋存环境无太大起伏，掘进后的巷道，变形速度相对缓慢，整体巷道表面变形量较低。

1.2 相邻工作面回采动压影响阶段

巷道继续掘进，进入相邻工作面回采造成的采动剧烈影响范围内，此时位于巷道顶板上覆围岩发生结构性的调整，并伴随着巷道的不断掘进及回采面的回采，结构性调整愈加剧烈，直至掘进巷道迎头位置与相邻回采面平齐，此时掘进巷道的围岩应力较为集中，围岩位移较为明显。当回采面继续推进后，采空区上方顶板由于超前支撑压力的作用，结构失稳，随采随冒，上位岩层垮落触矸，形成侧向掘进巷道上覆岩层结构的一侧回转下沉，如图2 所示。此时，对掘巷道顶板的荷载，全部由此回转偏移的关键块B 承担。

围岩结构调整的结果是，掘进巷道顶板发生适应性调整，具体表现为顶板发生一定量的下沉，如果此时顶板内部存在显著弱面或围岩较为破碎，则巷道容易产生冒顶。

图2 迎采动掘进巷道围岩结构分布图

1.3 巷道沿稳定采空区掘进阶段

工作面回采继续推进，采空区顶板围岩结构经历一系列下沉调整，逐渐趋于稳定，顶板的应力集中得以释放。此时相邻工作面掘进后的巷道围岩较为稳定，但由于采动应力的原因，结构较为破碎，煤岩体表现为峰后残余强度，承载能力相较于未经受采动应力的围岩有明显下降。

2 巷道支护方案相关参数

针对马兰矿18506 回风顺槽的实际地质条件，结合相关文献及相似矿井实践经验，综合确定采用预应力组合支护方案，支护参数断面如图3 所示。分二步进行：首先，在巷道开挖后，需进行及时的高预拉力锚带网支护。研究表明，及时支护可以避免巷道围岩的二次破坏，高预应力可以使巷道浅部围岩形成结构较为完整的预应力梁，从而达到大大提高巷道围岩抵抗变形能力的作用。其次，滞后1～2 班，或3～5 排，对巷道围岩进行M 型钢带配合小孔径预拉力锚索补强，锚索可以将巷道支护体与围岩形成的整体结构范围进一步扩大，有效约束顶板浅部围岩与深部发生的离层现象。M 型钢带可以控制断面形状，保证巷道断面的完整性，有效抵抗巷道围岩的长期蠕变作用。

图3 巷道断面布置图（mm）

18506 回风顺槽具体支护相关参数：顶板及两帮锚杆规格为Φ20 mm×2 400 mm，其中顶板间排距为70 mm×800 mm，每排6 根，两帮锚杆间排距800 mm×800 mm，每侧5 根；顶锚索规格为Φ18.9 mm×7 300 mm，间排距为1 600 mm×800 mm，每排2根；帮锚索规格为Φ18.9 mm×4 300 mm，间排距为1 600 mm×1 600 mm，每排布置2 根锚索；锚杆索预紧力为100 m。