新元矿松软煤层回采巷道支护方案与应用

2021-08-14潘欣

江西煤炭科技 2021年3期

关键词：顺槽浅部锚索

潘欣

（山西新元煤炭有限责任公司，山西寿阳 045400）

1 工程概况

山西阳煤集团新元煤矿9105 工作面位于井田北翼，工作面开采9#煤层，煤层均厚3.40 m，平均倾角2°。煤层内节理裂隙发育，其普氏硬度系数在1.5 以下。根据上述特征可知9#煤层属松软煤层，煤层顶底板岩层特征见图1。

图1 煤层顶底板岩层柱状图

9105 工作面进风巷沿煤层顶板掘进，但由于进风巷区域直接顶出现变薄及尖灭的现象，故巷道在实际掘进期间沿8#煤层底板作业，掘进断面为宽×高=5.2 m×5.5 m，属于大断面回采巷道，巷道两帮为松软煤层。

2 围岩变形机理及支护原则

2.1 围岩变形机理

根据众多工程实践表明，巷道围岩的变形破坏主要受掘进期间的加卸载作用及工作面的回采动压影响，基于巷道围岩所受的荷载变形规律可知:浅部围岩体在掘进和采动的加载和卸载作用下呈现出松软破碎且裂隙发育特性，而巷道深部围岩体由于掘进和回采的加卸载作用对其作用效果较弱，故而其能够保持一定的完整性[1]，具体深、浅部围岩体分区及变形特征见图2。

图2 巷道围岩分区变形特征

巷道掘进期间，巷道围岩体在开挖超前应力的作用下，围岩体会经历开挖导致的强卸载作用。工作面回采期间，巷道会进一步经历回采动压扰动下的多次加载和卸载作用。针对浅部围岩体，其在重复多次的加载和卸载作用下，围岩体表现为出现一定程度的体积变形。在卸载期间，围岩体会沿着卸载方向出现一定程度的膨胀变形，并且围岩体的体积膨胀会随着卸载强度的增大而逐渐增大；此时岩体内部的节理裂隙在膨胀作用下进一步发育，当围岩体体积膨胀到一定程度后，岩体便会出现脆性破坏，进而导致浅部围岩体表现为节理裂隙发育且松软破碎的特征。针对深部围岩体，由于采掘动压对其扰动较小，故而其在沿卸荷方向上的体积膨胀率较小，而且采掘动压对深部围岩体的影响可简化为多次轴向加载，岩体在轴向应力的作用下的变形以延性变形为主[2]。

2.2 支护原则

根据9105 工作面进风顺槽松软煤层大断面围岩变形特点，确定采用高预应力强力一次支护理论进行巷内锚杆支护设计，其支护原则是：

（1）保持围岩完整性，使围岩-支护协同作用，共同支护围岩，抵抗围岩受动压影响引起的大变形。围岩控制的关键在于最大程度的保障围岩体的完整性，这需要主动支护提供充足的强度，以抵抗围岩体的应力作用。

（2）增加围岩护表面积，提高松软煤层稳定性。由于9105 进风顺槽围岩的自身特性表现为节理裂隙发育、完整性差，在采动应力作用下易出现片帮、剥皮的现象，基于此确定巷道表面采用护表面积大的W型钢护板配合金属网的形式以提升巷道表面的护表力。

（3）分部分区强化围岩，使深、浅部围岩共同作用。由于9105 进风顺槽浅部围岩体与深部围岩体之间物理力学性质差异较大，在进行巷道支护设计时，应针对围岩具体情况进行分部、分区的支护，设计浅部围岩体采用高预应力锚杆（索）支护技术[3-4]。

（4）主动支护应具有充足的强度和较高的延伸率。由于大断面巷道在采动影响下围岩会表现为变形量大且变形剧烈的特征，为控制变形量，需提升主动支护的强度，以增强围岩体的承载能力。另外主动支护还需具有较高的延伸率，以适应采动影响下围岩体的变形，确保支护效果。

（5）及时支护围岩，避免围岩早期产生过度有害变形。巷道掘进期间，在超前支承压力的作用下围岩体已经发生了一定程度的变形，在巷道开挖之后及时进行支护，避免有害变形的早期过度发生[5-6]。

3 支护方案及效果

3.1 支护方案

基于上述巷道围岩变形机理及大断面巷道围岩支护原则，采用高预应力强力锚杆支护方案，具体支护参数见表1，其中：

表1 9105 工作面进风顺槽参数

巷道顶板锚杆和锚索均垂直于顶板岩层打设，其中顶板锚杆采用树脂加长锚固，锚固长度为1 017 mm，托盘采用高强度拱形托盘，锚杆预紧扭矩大于400 N·m；顶板锚索采用2-2 布置，锚固方式为树脂加长锚固，锚固长度1 460 mm，预紧力：≥250 kN，托板采用高强度可调心托板，另外锚杆索之间采用规格为300 mm×460 mm×4 mm W钢护板配合金属网进行护表，网片为网格50 mm×50 mm的10#铁丝编织。

巷道两帮锚杆型号、材质、间排距、锚固方式、锚固长度、托盘等均同顶板锚杆，锚杆垂直于巷帮打设，锚杆预紧扭矩大于300 N·m；两帮锚索采用2-1 布置，当巷道断面内布置两根锚索时，锚索间距2 250 mm，上部与下部锚索分别距顶板和底板的距离为500 mm和750 mm，当断面内布置一根锚索时，其距顶板的距离为1 800 mm，巷帮锚索预紧力≥150 kN，护表支护方式同顶板。

序号名称型号每排数备注10 树脂锚固剂 MSZ23120 7.5 —11 金属网 5 400 mm×1 000 mm 1 10#铅丝编织，网格50 mm×50 mm 12 金属网 5 500 mm×1 000 mm 2 10#铅丝编织，网格50 mm×50 mm

具体支护方式见图3。

图3 巷道支护方式

3.2 效果分析

为验证9105 工作面进风顺槽的支护效果，进风顺槽掘进期间，在巷道掘进头处设置表面位移监测站，持续监测至监测断面滞后掘进迎头100 m 的位置；9105 工作面回采期间，在超前工作面120 m的位置处布置表面位移监测站，基于监测结果得出围岩变形曲线见图4。

图4 巷道围岩变形曲线

分析图4（a）可知，巷道掘进期间，围岩变形量随着测点与掘进迎头之间距离的增大而逐渐增大，当监测断面滞后掘进迎头50 m后，此时巷道变形趋于稳定；巷道变形以两帮变形为主，顶底板变形较小，这与两帮较为软弱有关。总体来看，掘进期间巷道变形量较小。分析图4（b）可知，工作面回采期间巷道顶底板及两帮最大移近量分别为100 mm和160 mm，围岩变形量较小。