煤矿井下巷道顶板切顶卸压支护技术的研究

2022-01-25武东雷

机械管理开发 2021年11期

武东雷

（晋能控股煤业集团晋圣润东煤业，山西晋城 048100）

引言

在煤矿井下综采作业过程中，巷道顶板的稳定性直接决定了井下综采作业的安全性，随着煤矿综采作业深度的不断增加，井下地质条件愈加复杂，巷道顶板应力集中大，矿压波动及综采作业受扰动的情况较多，极易引起顶板变形超标、垮塌等问题，给煤矿井下的综采作业带来了严重的安全隐患。

因此，本文在对井下地质状况和支护形式进行充分分析的基础上，提出了一种新的煤矿井下巷道顶板切顶卸压支护技术，采用恒阻大变形锚索对巷道顶板进行补强支护，对补强形式、补强技术参数进行了研究，确定了最佳支护方案，并对优化前后巷道顶板的实际状态进行了对比。根据监测表明，新的支护技术方案能够将顶板位移量降低30.6%，将巷道两帮变形量降低69.5%，有效解决了巷道顶板在应力作用下的变形情况，对提升井下综采作业安全性具有十分重要的意义。

1 支护现状

以煤矿井下典型不稳定地质条件为例，其煤层平均厚度约为3.3 m，综采面的倾斜段长度为133 m，综采面的走向长度为77 m，煤层的平均倾角约为5.2°，煤层的埋深约为405 m。巷道顶板主要是粉砂岩、中砂岩和泥岩的混合层级，最上面为粉砂岩，平均厚度为1.44m，第二层为中砂岩，平均厚度为2.51m，第三层主要为泥岩，平均厚度为1.66 m。

井下综采面的辅助运输巷为矩形断面结构，矩形断面尺寸为3 100 mm×5 000 mm，支护时采用锚网索支护，在顶板处每排设置5组支护锚杆，设置支护锚杆的间距为1 000 mm×1 000 mm，并设置在巷道顶板接近实体煤帮的位置，要求支护锚杆和水平面呈75°的夹角，以确保支护的稳定性，对于其他位置的支护锚杆可以采用竖直布置结构。在靠近实体煤帮的位置，每隔4 000 mm设置一个钢绞线锚索，在巷道两侧各设置一组间距为900 mm×900 mm的支护锚杆，最上侧和最下侧的锚杆与水平面呈15°倾角。

2 恒阻大锚索支护

2.1 补强形式研究

1）恒阻大锚索是一种新型的具有负泊松比的新型支护材料，不仅可以提供较大的支护阻力并保持支护阻力的稳定性，而且能够根据围岩的变形情况调整自身的滑移变形，以提高在复杂地质条件下的支护稳定性。在该巷道采用恒阻大锚索进行支护时，不仅要承受顶板矿压波动的影响，还要承受在综采作业期间综采扰动的影响。

在对多种恒阻大锚索工作情况进行分析的基础上，最终选择了HZS35-300型支护锚索，该锚索的恒阻器长度为500 mm，最大的允许变形量为350 mm，锚索的恒阻值为30.3 t，锚索直径为21.4 mm，在工作过程中，恒阻大锚索和围岩相互作用的原理如图1所示[1]。

图1 恒阻大锚索和围岩相互作用示意图

2.2 补强技术参数研究

恒阻大锚索在支护时，其长度将直接影响支护的效率和安全性，因此在设计时，应重点对其支护参数进行优化[2]。

恒阻大锚索的长度主要取决于支护区域岩层的切缝深度，根据井下巷道顶板的地质情况，其巷道顶板上的切缝深度H可表示为[3]：

式中：H1为煤层高度，取3.1 m；ΔH2为巷道顶板下沉量，取0 m；ΔH3为巷道底鼓量，取0 m；K为表示岩层的碎胀系数，取1.41。

代入数据，计算得H=7.56 m。

为保证巷道顶板在采空区垮落后顶板围岩的稳定性，在固定恒阻大锚索时应该将其固定在预裂缝隙深处的稳定岩层中。因此，根据经验公式，恒阻大锚索的长度应该比顶板切缝的深度大2 mm左右，再根据相应锚索规格[4]，最终选择的锚索长度为9 300 mm。

结合井下巷道现有支护结构，在矿压波动规律进行监测的基础上，将现有支护结构内设置两列恒阻大锚索，第一列锚索和切缝的距离约为600 mm，排距约为2 500 mm，第二列锚索和第一列锚索之间的距离设置为1 500 mm，排距为2 500 mm，其支护密度为0.8根/m2，其支护结构如图2所示。

图2 恒阻大锚索支护结构示意图（mm）

3 应用效果分析

为对优化前后的实际支护效果进行对比分析，在巷道内采用了布点监测的方式，对巷道顶板和两帮的变形量进行监控，优化前后顶板和两帮的变形情况如图3所示。

由图3可知，优化后巷道顶板的平均位移量约为255 mm，在进行支护结构优化后的平均位移情况约为177 mm，比优化前降低了约30.6%。在优化前，巷道内两帮的位移量约为668 mm，在进行支护结构优化后的平均位移情况约为204 mm，比优化前降低了约69.5%。因此可知，采用新的煤矿井下巷道顶板切顶卸压支护技术，能够显著提升煤矿井下综采作业过程中的巷道稳定性，对提升井下综采作业效率和安全性具有十分重要的意义。