大倾角软厚煤层巷道围岩控制技术探讨

2021-01-28高怀俊

江西煤炭科技 2021年1期

高怀俊

（山西潞安集团潞宁孟家窑煤业公司，山西忻州 036000）

1 工程概况

孟家窑矿井11505 工作面位于11 采区，开采5号煤层。工作面平均埋深400 m，工作面西北为11507 工作面、西部为采空区、东部为回风上山、南部为11503 工作面。11505 工作面煤层构造简单，平均倾角为24°，属于大倾角煤层，煤层平均厚度11.5 m。工作面采用放顶煤开采，割煤高度3.5 m，采放比1∶2.3。设计工作面长150 m，放煤步距为0.8 m，放煤方式为“一刀一放”，日循环进度2.4 m。采空区采用完全垮落法管理顶板。11505 综放面顶板为软弱、半坚硬互层的岩层，岩性变化较大，工程地质条件相对较差；下伏底板硬度同样较小，多是砂质泥岩、粉砂岩互层，岩层稳定性较难控制。

11505 综放面胶带顺槽断面为矩形，宽度为5.0 m、高度为3.3 m，沿煤层底板掘进。在周围矿井开采工程实践中，受煤层厚度大、倾角大、埋深大、煤质较软等影响，相邻工作面开采动压和本工作面扰动对工作面顺槽造成不利影响，导致巷道围岩出现剥落，顶底板向内变形，巷道完整性无法得到有利保证。因此，探讨大倾角软厚煤层情况下，工作面顺槽的稳定性机理与控制措施，已经成为11505 综放面安全生产亟需解决的问题。

2 巷道稳定性分析

对大倾角软煤巷道顶底板及帮部的受力情况进行详细分析，见图1。在大倾角作用下，顶板轴向挤压力增大，导致其挠度趋势增加，由于顶板岩层性质多为软弱岩体，抗变形能力较小，导致煤层顶板极易出现离层现象；在巷道两帮位置，由于煤体内聚力和内摩擦角较低，左右两帮受力情况不同，导致两帮煤壁均出现内生裂隙，严重时会出现剪切破坏断裂成一条裂缝，当裂缝发育范围大于相对稳定临界高度时，巷道整体稳定性就会被破坏，巷道上方及周围煤岩体从滑移面处脱落；巷道底部受力情况与顶板相似，地脚位置处出现应力集中，同时受向内的挤压力而导致底板鼓起变形。图中FR为顶板两端的支撑力，FN为顶板所受轴力，Me为顶板两端所受扭矩，q为顶板所受均布载荷，ω为顶板挠度，l、α分别为顶板宽度与倾角，ABCD区域为不稳定区域，CDE为稳定区域，HW为相对稳定临界高度，q0为帮部滑动岩块所受均布载荷，β为滑动面与竖直方向夹角，q1为岩层所受均布载荷，q2为相邻岩层的阻力载荷，l1为梁的长度，ω1为底板岩层挠度，α＇为岩层倾角。

从巷道受力整体来看，大倾角煤巷的条件下，由于倾角较大、煤体较软，巷道两帮易形成非对称破坏状态，顶板与倾斜方向上部位置的巷帮变形最为严重，是巷道控制的关键部位。因此，降低巷道整体的受力和对巷道整体围岩进行加固是控制大倾角软厚煤层巷道的有力途径。本文拟采用留设保护煤柱和锚杆索耦合支护的方式进行巷道控制。

图1 大倾角巷道受力分析

3 围岩控制技术

3.1 留设煤柱

11505 胶带顺槽与11503 回风顺槽间的工作面保护煤柱应该能够保证自身完整性，尽量处在应力较低区域内，同时能够满足安设锚杆索的需要，能够承受多次采动影响，还能保证资源采出率。根据当前较流行的煤柱宽度计算方式，见图2。其中B为留设煤柱宽度，x1为采空区侧塑性区宽度，x2为巷道侧塑性区宽度，x3为煤柱核区宽度。根据煤柱两侧塑性区宽度计算公式（下式），选取的计算参数见表1，计算后的一侧塑性区宽度为13.65 m，其中x1=x3，x2=m，通过计算，得到留设煤柱宽度为30.8 m。因此，确定采用留设煤柱宽度为30 m。

图2 工作面煤柱留设宽度

表1 计算参数

3.2 支护设计

为有效控制11505 胶带顺槽掘进期间的巷道变形，在留设30 m煤柱的基础上对巷道断面进行联合支护，根据本矿其他工作面的支护经验及本工作面开采实际，确定巷道顶板采用 “锚杆+锚索+金属网”联合支护，两帮采用“锚杆+ 金属网”支护，11505 胶带顺槽支护断面见图3。

11505 胶带顺槽顶板锚杆使用Φ22 mm×2 400 mm高强度螺纹钢锚杆，锚固剂型号为一支规格K2335，另一支规格Z2360。其中锚杆钻孔直径为30 mm，锚杆间排距为800 mm×1 000 mm，采用金属网配合规格为450 mm×280 mm×4 mm的W钢护板，同时采用钢筋托梁护顶；锚杆钢筋托梁采用Φ14 mm的螺纹钢焊接而成，托梁宽度为210 mm，长度为4 500 mm；网片采用网孔的规格为40 mm×40 mm，顶网片尺寸为5 400 mm×1 000 mm；锚索为普通锚索，材料为Φ18.9 mm的1×7 股高强度低松弛预应力钢绞线，长度7 300 mm，钻孔直径28 mm；锚固剂型号一支规格为K2335、两支规格为Z2360，先上快速锚固剂，再上中速锚固剂；锚索托盘型号为300 mm×300 mm×16 mm高强度可调心异形托板及配套锁具，锚索布置方式为“3∶2∶3”，间排距为1 600 mm×1 000 mm；锚索钢筋托梁采用Φ20 mm的螺纹钢焊接而成，托梁宽度为210 mm，长度分别为3 600 mm、2 000 mm。

两帮锚杆型号为Φ22 mm×2 400 mm高强度螺纹钢锚杆，锚固剂型号一支规格为K2335，另一支型号为Z2360。钻孔直径为30 mm，锚杆间排距为800 mm×1 000 mm，采用金属网配合型号为450 mm×280 mm×4 mm的W钢护，并且采用钢筋托梁护帮；锚杆钢筋托梁采用Φ14 mm的螺纹钢焊接而成，托梁宽度为210 mm，长度为2 900 mm；网片采用的网孔规格40 mm×40 mm，帮网片尺寸为3 100 mm×1 000 mm。

图3 11505 胶带顺槽支护断面（单位/mm）

4 应用分析

在11505 胶带顺槽掘进进尺100 m位置处布置综合监测测站，随掘进头向前推进对巷道围岩变形和锚杆索受力进行监测，锚杆、锚索均选取顶板和两帮中间位置处进行监测，结果见图4、图5。随着掘进面的向前推进，顶板下沉量和左帮移近量均呈现增大趋势，但增大速率逐渐减小，监测45 d之后，巷道围岩变形基本保持不变，顶板下沉量稳定在15 mm、两帮移近量稳定在26 mm；根据锚杆和锚索的监测受力情况表明，45 d之后受力情况基本不变，顶锚杆受力稳定在54 kN、左帮锚杆受力稳定在57 kN、右帮锚杆受力稳定在63 kN，预应力锚索受力稳定在220 kN，表明巷道整体受扰动情况较稳定，不会出现突然的来压现象。在留设30 m保护煤柱和对巷道采用锚杆索联合支护方式后，11505 工作面顺槽的稳定性得到了较好控制。