古城煤矿大跨度动压巷道支护技术研究

2023-08-08王鹏宇

煤炭与化工 2023年6期

王鹏宇

（山西潞安矿业（集团）有限责任公司古城煤矿，山西长治 046000）

0 引言

近年来，伴随煤炭资源高强度大规模开采，引起的支护问题也随之显现[1-4]，尤其对于动压巷道，其支护难度愈加增大[5-7]。对于大跨度受动压影响的巷道围岩控制技术，国内学者做了大量的研究，李冲等[8]针对大跨度切眼，提出“双微拱断面”为主体，配合锚网索，加之单体液压支柱，形成了大跨度巷道减跨有效的控制技术；牛少卿等[9]以煤巷层状特征顶板作为研究对象，分析了层状结构顶板特征，表明其易发生剪切破坏并给出破坏机理；李登屹[10]以大跨度动压巷道为研究目标，分析其特殊的变形、破坏特征；刘奎[11]针对大跨度切眼巷道，由于其顶板下沉量大、深部离层严重等矿压显现的存在，分析其维护中存在的特点，针对其特性给出相应的技术。本文主要结合现场实际，针对古城煤矿北三盘区辅运大巷，利用数值模拟、现场监测等手段，分析了在巷道跨度不同以及侧压系数的不断增加的条件下，巷道的变形、塑性破坏面积以及应力变化的规律，结合其规律通过大跨度巷道类型划分，提出适用于大跨度巷道的高强经济支护原理，基于此给出试验巷道的优化支护方案，进行现场应用，分析实测规律。

1 概况

古城煤矿位于山西省长治市屯留区，以3 号煤为主采煤层，平均6.05 m，煤层倾角7°，煤层顶板为砂岩、泥岩，底板与顶板一致。北三盘区辅运大巷布置如图1 所示。受到N3301 工作面回采动压影响，北三盘区辅运大巷为矩形断面，掘宽6 300 mm，掘高4 950 mm，整体支护方式采用锚网+喷浆的形式。顶板支护锚杆直径为22 mm，长度为2 400 mm，间距800 mm，排距1 000 mm；帮部锚杆间排距725 mm×1 000 mm；锚索直径22 mm，长度8 300 mm，4-5-4 布置方式，间排距为1 200 mm×1 000 mm，除肩角、帮角外斜15°，剩余垂直安装。

图1 北三盘区辅运大巷布置示意Fig.1 Location of north three panel auxiliary transport roadway

2 大跨度巷道围岩应力与变形特征分析

大跨度巷道围岩应力与变形特征和巷道的跨度以及采动应力密切相关，因此需对不同跨度、不同侧压系数条件下，巷道应力与变形特征进行分析。

2.1 模型建立

根据古城煤矿工程地质条件，采用FLAC3D 有限元模拟，考虑边界影响效应，模型尺寸为45 m×50 m×82 m，模型共有24 000 个单元，如图2 所示。模型为摩尔库伦，沿顶掘巷，支护方式为锚杆（索）支护，上覆岩层等效面力大小为18.75 MPa。巷道埋深500 m，侧压系数λ 分别取0.5、1.0、1.5、2.0，在原支护基础上，研究巷道跨度Bhd为4、4.5、5、5.5、6、6.5、7、7.5、8、8.5、9、9.5、10 m 时，其塑性区、第一主应力、围岩变形规律。

图2 数值模拟模型图Fig.2 Numerical simulation model

2.2 模拟结果分析

图3 为随着巷道的跨度增加，λ 的增大，巷道围岩矿压变化曲线。模拟结果表明，巷道围岩塑性区随跨度、λ 增大而变大，特别是顶板及两肩角部位塑性区发育范围变化较大，其余基本不发生变化；第一主应力随巷道跨度、λ 增大均匀增大，第一主应力集中区域不断增大，顶板的集中程度最大；巷道变形随跨度和λ 增大不断变大，两帮的变化幅度远不及顶板。

根据巷道跨度不同、λ 不同，巷道围岩矿压分布规律和对应的支护要求，给出大跨度巷道的类型。以古城煤矿工程地质条件为基础，当侧压系数λ≤1 时，将巷道跨度大于或等于5.5 m 的巷道称为大跨度巷道；当侧压系数λ＞1 时，将巷道跨度大于或等于5 m 的巷道称为大跨度巷道。巷道分类见表1。

表1 巷道类型划分Table 1 Roadway type division

3 大跨度巷道控制技术与方案

3.1 支护原则

根据古城北三盘区辅运大巷具体条件，按照大跨度巷道高强度经济支护原则，在实现巷道稳定的前提下，支护材料使用最少，刚好满足巷道支护强度需要。

3.2 低密度高强度支护方案

图4 为北三盘区辅运大巷优化后的支护方案。锚杆采用MSGLW500/φ22 mm×2 400 mm，短锚索采用φ22 mm×5 300 mm，每排3+4 布置，3 为短锚索个数，4 为锚杆个数，间排距为800 mm×1 000 mm，除肩角、帮角以及底角锚杆外斜15°，其余垂直打设。长锚索采用φ22 mm×8 300 mm，2-3-2 布置，间排距为2 400 mm×1 000 mm。