碎裂顶板大断面巷道支护技术研究

2021-02-07麻龙斗

山东煤炭科技 2021年1期

麻龙斗

（山西汾西矿业南关煤业有限责任公司，山西灵石 031304）

随着我国煤炭开采技术的不断发展，设备逐渐趋于机械化和大型化，为了满足煤炭生产安全的要求，大断面巷道才能满足设备的高效安全运输[1-3]。煤矿巷道顶板碎裂容易发生冒顶事故，影响工作面正常生产和井下人员安全[4]。因此，碎裂顶板大断面巷道支护成为了亟待解决的问题，结合汾西矿业集团南关煤业3210 工作面运输巷对此难题进行研究。

1 工程概况

汾西矿业集团南关煤业3210 工作面东部、北部、南部为实煤区，西部为三条盘区大巷。3210 工作面开采2#煤层，煤层裂隙发育较多，煤层平均厚度2.4 m。3210 工作面整体为一小型单斜构造，煤层倾角约为5°。3210 工作面运输煤巷3210 巷道为进风、运煤的巷道，并兼做行人巷使用，为矩形断面，巷道掘进宽5500 mm，净宽5300 mm，净高3600 mm，净断面5.3×3.6=19.08 m2，属于大断面煤巷。巷道的顶板和两帮都是煤体，煤体中存在很多弱面，在回采压力的影响下，顶板破碎严重，巷道围岩很容易发生变形，巷道的支护体系常常出现失效的现象[5-6]。

原有巷道设计方案如图1，巷道顶板采用锚网索联合支护。其中，顶板锚索采用Φ22 mm×7900 mm 的锚索，间排距为1600 mm×1500 mm，每排3 根，两边锚索分别距离两帮1250 mm。顶板锚杆采用Φ20 mm×2500 mm 的左旋无纵筋螺纹钢锚栓，每排布置5 根，两顶角锚杆分别距两帮150 mm，间排距为800 mm×1300 mm，均垂直于顶板布置。金属网采用Φ6 mm 圆钢，网格尺寸为100 mm×100 mm。煤柱侧帮部每排布置3 根锚杆，采用Φ18 mm×2000 mm 左旋无纵筋螺纹钢锚杆，间排距为900 mm×1500 mm，上下部锚杆距顶底板间距均为300 mm，均垂直于巷帮布置。工作面侧每排布置3 根锚杆，采用Φ20 mm×2000 mm 玻璃钢锚杆，间排距为900 mm×1500 mm，上下部锚杆距顶底板间距均为300 mm。

图1 原有支护方案

采用上述支护方案，巷道围岩变形剧烈，矿压显现明显，存在顶板下沉、冒落片帮的严重风险，不能保证巷道的安全。

2 煤岩样采集测试及岩性评价

对3210 运输巷进行钻孔取样，在实验室中进行物理力学性质试验，结合3210巷综合地质柱状图，得出相关的顶板岩石基本情况和力学性质，见表1和表2。3210 巷道是一条煤巷，沿着煤层底板布置，巷道高度为3.6 m，煤层厚度为2.4 m，煤巷的直接顶为炭质泥岩，直接底为砂质泥岩。

表1 3210 巷道顶板岩体基本质量分级

表2 煤岩样物理力学参数

3 原有巷道支护设计优化

优化后依然采用锚网索联合支护的方式，提出使用更高强度、更大延伸量的锚杆和锚索进行支护。具体设计方案如图2，其中顶板锚索采用规格Φ17.8 mm×8300 mm 的锚索，间排距1600 mm×1600 mm，每排3 根，两边锚索分别距离两帮1150 mm。顶板锚杆采用Φ20 mm×3100 mm 的左旋无纵筋螺纹钢锚栓，每排布置7 根，两顶角锚杆分别距两帮450 mm，间排距为800 mm×800 mm，两帮侧锚杆与巷道顶板夹角75°，其余均垂直于巷道顶板布置。金属网采用Φ6 mm 圆钢，网格尺寸为100 mm×100 mm。煤柱侧帮部每排布置3根锚杆，采用Φ18 mm×2500 mm 左旋无纵筋螺纹钢锚杆，间排距为900 mm×900 mm，上下部锚杆距顶底板间距均为450 mm，均垂直于巷帮布置。工作面侧每排布置3 根锚杆，采用Φ20 mm×2500 mm 玻璃钢锚杆，间排距为900 mm×900 mm，上下部锚杆距顶底板间距均为450 mm，均垂直于巷帮布置。

图2 3210 巷道支护方案

4 工程实测结果与分析

对优化方案进行数值模拟后，发现优化后的支护新方案支护效果更好，可以达到对巷道支护的目的。在工程现场使用了优化后的方案进行支护，对巷道的顶板下沉量和两帮移近量进行实测，选取具有代表性的数据如图3。在回采后的一段时间内巷道发生了可控范围内的变形，在一个月后，巷道不再有明显变形，证实了提出的优化支护方案对3210碎裂顶板大断面巷道控制的有效性。