一次使用顺槽巷道低密度高强度支护技术研究

2022-01-15李云岗

山东煤炭科技 2021年12期

李云岗

（晋能控股煤业集团寺河矿，山西晋城 048000）

成庄矿是晋能控股煤业集团的主力矿井，主要开采3#煤，采用放顶煤和大采高开采方法。由于大采高工作面顺槽巷道断面大，导致巷道支护所需的锚杆和锚索数量也明显增加，增大了成巷中的支护工作量，减慢了成巷速度，严重影响了矿井的采掘衔接[1-2]。因此，为了使大采高顺槽成巷速度不耽误工作面回采，满足矿井生产要求，需要对一次使用顺槽巷道开展降低支护密度同时保证支护强度的低密度高强度支护技术研究。

1 概况

4322 工作面开采3#煤层，工作面埋深约400 m，顺槽43223 巷为一次使用顺槽巷道，是低密度高强度支护技术研究的试验巷道，43223 巷与43222 巷之间的煤柱宽25 m。巷道布置如图1。工作面煤层厚度平均为5.91 m，通过井下巷道钻孔现场测试煤体强度为10.05～21.20 MPa，煤层内生节理裂隙发育，局部煤质松软破碎，显著降低了围岩强度[3-4]。受工作面回采动压影响后巷道煤岩体强度将进一步降低，给巷道支护带来一定困难。43223 顺槽巷道设计断面为矩形，设计宽度5500 mm，高度3500 m，掘进断面面积为19.25 m2。

图1 4322 工作面巷道布置示意图

2 不同支护密度下巷道稳定性分析

为了确定适宜的支护密度，得到合理的锚杆和锚索排距，分析低密度高强度支护技术的围岩变形控制效果。采用FLAC3D数值模拟软件对不同锚杆排距、锚索排距进行模拟，模拟分为4 个方案。方案1：锚杆排距1.0 m，锚索排距2.0 m；方案2：锚杆排距1.1 m，锚索排距2.2 m；方案3：锚杆排距1.2 m，锚索排距2.4 m；方案4：锚杆排距1.3 m，锚索排距2.8 m。

不同支护方案下巷道的围岩变形情况如图2 和图3。由图2、图3 可知，采用方案1 的巷道顶板下沉量为70 mm，两帮移近量为50 mm；采用方案2 的巷道顶板下沉量为72 mm，两帮移近量为51 mm；采用方案3 的巷道顶板下沉量为80 mm，两帮移近量为60 mm；采用方案4 的巷道顶板下沉量为90 mm，两帮移近量为70 mm。

图2 掘进期间43223 巷水平位移

图3 掘进期间43223 巷垂直位移

43223 巷道为一次使用顺槽巷道，经过4 个方案的对比，综合选择方案2 为43223 巷道的低密度高强度支护技术方案。该方案可保障巷道安全使用，有效控制围岩的有害变形，并且一定程度减少了巷道支护工作量。

3 低密度高强度支护设计

根据以上数值模拟分析结果，采用方案2 的具体支护设计如下：

（1）巷道顶板支护

顶板采用直径为22 mm 的左旋无纵筋螺纹钢筋锚杆，锚杆长2400 mm，锚杆杆尾螺纹为M24。设计钻孔直径30 mm，锚固剂为一支MSK2335 和一支MSZ2360，锚固长度1208 mm，设计锚杆扭矩400 ～550 Nm。采用规格为5900 mm×1200 mm 的金属网护顶，W 钢带规格为W235/280/4-4900-5，采用规格为150 mm×150 mm×10 mm 的高强度拱型托板。锚杆间距1150 mm，排距1100 mm，每排布置5 根锚杆，锚杆垂直于巷道顶板打设。

顶板采用直径为22 mm、长度7400 mm 的锚索，设计钻孔直径30 mm，锚索锚固剂为一支MSK2335和两支MSZ2360，锚固长度1970 mm。锚索呈2-0-2布置，锚索排距2200 mm，锚索间距2000 mm，锚索距离巷帮1750 mm，预紧力250 kN。采用300 mm×300 mm×16 mm 高强度可调心拱形托板及配套锁具。

（2）巷道帮部支护

巷帮的锚杆形式和规格、锚固方式、托板规格均与顶板相同。巷帮W 钢护板采用规格为280 mm×400 mm×4 mm，四边压边。巷帮采用规格为3500 mm×1200 mm 的金属网片护帮。

帮部锚杆间距1200 mm，排距1100 mm，每排3 根锚杆，锚杆均垂直于巷帮打设。

43223 巷低密度高强度锚杆支护布置如图4。

图4 43223 巷道支护断面图（mm）

4 现场试验效果

为了检验一次使用顺槽巷道低密度高强度支护技术的井下实际应用效果，在43223 巷布置表面位移测站，监测巷道在掘进期间和回采期间的围岩表面位移量，监测结果如图5 和图6。由图5、图6 可知，43223 巷在掘进期间两帮最大移近量为32 mm，顶板下沉量最大值15 mm，掘进期间巷道变形量很小。43223 巷回采期间的两帮最大移近量为78 mm，顶底板移近量为117 mm，其中顶板下沉量为49 mm，底鼓量为68 mm。