大跨度坚硬顶板回采巷道支护技术研究与实践

2021-05-21崔红兵

同煤科技 2021年2期

崔红兵

（山西凌志达煤业有限公司山西长治046000）

0 引言

近年来，随着我国机械化采煤技术的快速发展，各种大型设备不断被研发并应用于井下煤炭开采，导致对工作面回采巷道断面跨度的要求越来越大[1-3]。但是，随着巷道断面跨度的增加，巷道顶板挠曲变形也逐步增大，极易引发巷道冒顶、片帮事故的发生[4-6]。因此，如何对大跨度回采巷道围岩变形进行有效控制，日益成为相关研究人员和科技工作者关注的焦点问题。本文以凌志达煤业15205综采工作面回风顺槽为研究对象，对大跨度坚硬顶板回采巷道支护方案进行研究，确定了合理的支护参数，为类似工程条件工作面回采巷道围岩控制提供了参考。

1 工程概况

凌志达煤业目前主要开采15#煤层，其15205综采工作面位于二采区中北部，东部为15203 工作面采空区，西部为15205 运输顺槽，南部东翼辅运巷，北部为保安煤柱。工作面标高为895.0 m～915.8 m，煤层厚度3.34 m～4.87 m，平均厚度4.11 m；煤层倾角1～3°，平均倾角2°。煤层埋深约为442 m。煤层节理发育，结构复杂，含2～3层夹矸，夹矸厚度一般为0.2 m，属稳定可采近水平中厚煤层。煤层顶底板情况如表1所示。

15205回风顺槽为15205工作面回风巷，主要用于工作面运输、通风和行人。15205 回风顺槽设计长度925 m，方位角0°，巷道水平为+848 m。巷道沿煤层顶板掘进，矩形断面，巷道净宽×净高=7.4×3.2 m。巷道布置情况如图1所示。

表1 煤层顶底板情况

图1 巷道布置图

2 回采巷道围岩破坏影响因素分析

基于相邻工作面已掘巷道所存在的顶板下沉量大和两帮移近量较大、锚杆托盘内存在煤体冒空的情况，分析回采巷道围岩破坏的影响因素主要有工程地质条件和施工质量两个方面。

2.1 工程地质条件影响

地质条件影响：研究表明，地质条件是回采巷道围岩变形破坏的主要影响因素。主要体现在回采巷道的埋深和和围岩力学性质两个方面。当巷道埋深较大时，高地应力是回采巷道围岩发生变形和和破坏的主控因素；当巷道围岩较为软弱或含有大量膨胀性矿物成分时，巷道支护工程量较大、支护成本较高。

巷道掘进和工作面回采扰动影响：相邻工作面回采和本工作面巷道掘进所产生的扰动破坏了回采巷道围岩的完整性，使得回采巷道围岩破碎，导致巷道支护困难。

巷道跨度的影响：通常将高度为2.5 m～4.0 m，宽度大于5.5 m的巷道认为是大跨度巷道[7]。巷道顶板挠曲变形随其宽度的增大而增加，大跨度巷道顶板岩层极易出现离层，导致其围岩强度明显降低，巷道极易出现冒顶、片帮，巷道支护困难[8]。

2.2 施工质量影响

锚杆施工角度不合格，导致两帮和顶板锚杆存在螺母与托盘间呈点接触和线接触的问题，支护质量和支护效果差，而回采巷道围岩在受采掘扰动之后，其变形能力和和破碎程度均显著增加，此时施工质量较差的锚杆较易丧失失去支护作用。此外，未采用尼龙减摩垫圈，锚杆螺母与托渐渐存在较大的摩擦阻力导致锚杆预紧力矩在转化为轴向预紧力时的效率较低，锚杆所施加的预紧力不足，未能达到预期的主动支护效果[3]。

3 支护方案优化设计

巷道原支护方式为锚索网支护，具体支护参数为：顶板采用φ18×2 000 mm的左旋无纵筋高强度螺纹钢锚杆，间排距900×1 000 mm；巷道中线位置布置1根规格为φ17.8×5 300 mm 的钢绞线锚索，排距2 000 mm；配合使用规格为2 000×1 300 mm（长×宽）的塑料网支护顶板，网格为100×100 mm。两帮采用φ18×2 000 mm的左旋无纵筋高强度螺纹钢锚杆，间排距为900×1 000 mm；配合使用规格为（长×宽）2 000×1 300 mm 的塑料网支护巷帮，网格为100×100 mm。巷道围岩出现不同程度变形，巷道顶板下沉量大，冒顶、片帮严重，局部区域冒顶高度在2 m～3 m 之间，观测数据显示巷道顶底板移近量为426 mm，两帮移近量为341 mm，严重影响了巷道正常使用和工作面安全高效生产。

基于上述对已掘巷道围岩破坏影响因素的分析，结合巷道围岩控制技术和15205回风顺槽的实际工程地质条件，在已掘巷道支护方案的基础上进行优化设计，提出采用“高预应力锚杆（索）+塑料网+钢筋托梁”的联合支护方案。支护断面如图2所示。

图2 巷道支护断面图

（1）顶板锚杆布置参数

顶板采用规格为φ20×2 400 mm的左旋无纵筋高强度螺纹钢锚杆，间排距为9 00×1 000 mm，每排布置8根锚杆，两肩窝处锚杆安设角度与垂线成15°外斜布置，分别距两帮各200 mm，其余均与顶板垂直；锚杆钻孔采用φ28 mm 的金刚石钻头打设，每孔采用型号为MSK2335 和MSZ2360 树脂锚固剂各1 卷；钢筋托梁采用φ10×2 600 mm 圆钢托架；铺设规格为（长×宽）2 000×1 300 mm 的塑料网支护顶板，网格为100×100 mm；配合使用规格为150×150×8 mm（长×宽×厚）的拱形高强度钢托板和尼龙减摩垫圈；现场使用风动扳手或力矩扳手确保锚杆预紧力矩≥300 N·m，且保证螺母与托盘间呈面接触，否则进行补打锚杆。

（2）顶板锚索布置参数

顶板采用规格为φ17.8×5 300 mm的钢绞线锚索，间排距为2 000×2 000 mm，每排布置3根锚索，所有锚索均与顶板垂直，中间1根锚索布置在巷道中线位置，每根锚索用1卷MSK2335树脂锚固剂和2卷MSZ2360树脂锚固剂进行锚固；锚索托盘采用规格为300×300×16 mm（长×宽×高）的拱形高强度钢托板；使用锚索机具确保锚索预紧力≥200N·m。

（3）两帮锚杆布置参数

两帮采用规格为φ20×2200 mm 的左旋无纵筋高强度螺纹钢锚杆，间排距为9 00×1 000 mm，每排布置4根锚杆，帮部顶锚杆距顶板为300 mm，垂直巷帮打设，帮部底锚杆距底板为500 mm，与水平方向成15°俯角布置，其余均垂直与巷帮布置；锚杆钻孔采用φ28 mm的金刚石钻头打设，每孔采用型号为MSZ2360树脂锚固剂1卷；铺设规格为（长×宽）2 000×1 300 mm的塑料网支护巷帮，网格为100×100 mm；配合使用规格为150×150×8 mm（长×宽×高）的拱形高强度钢托板和尼龙减摩垫圈；现场使用风动扳手或力矩扳手确保锚杆预紧力矩≥300 N·m，且保证螺母与托盘间呈面接触，否则进行补打锚杆。

4 支护效果分析

为了对15205回风顺槽采用“高预应力锚杆（索）+塑料网+钢筋托梁”联合支护方案后的支护效果进行检验，采用十字布点法在巷道内布设2 个表面位移测点，测点间距100 m，每两天对观测一次，连续观测两个月，观测结果如图3所示。

图3 15205回风顺槽表面位移曲线

由图3可知，15205回风顺槽采用“高预应力锚杆（索）+塑料网+钢筋托梁”进行联合支护后，在0 d～10 d时，巷道顶底板及两帮移近量均增长较为缓慢；在10 d～40 d 时，巷道顶底板及两帮移近量均增长速率显著增大；在40 d以后时，巷道顶底板及两帮移近量均趋于稳定；即在连续观测的两个月内，巷道表面位移随观测时间呈现出先缓慢增大，再快速增大，最后趋于稳定的动态变化过程。15205回风顺槽顶底板移近量最大值为142.87 mm，两帮移近量最大值为112.03 mm，表明所采用的支护方案对巷道围岩变形的控制效果显著，能满足巷道正常使用。