煤矿采掘交锋期间掘进巷道支护设计研究

2023-11-30岳志高

机械管理开发 2023年10期

岳志高

（晋能控股煤业集团地煤公司，山西大同 037003）

1 5505 巷概况

焦煤矿5 号煤层属大同煤田石炭系特厚煤层，与4 号煤层的间距平均为15 m 左右，但局部可能变薄，由23 号柱状图显示，两层煤的间距为7.28 m。5 号煤层305 盘区8505 工作面5505 巷正在掘进，北部为正在回采的5 号煤层8503 工作面，两工作面间的煤柱宽度为28 m 左右，上覆4 号煤层8503 工作面已经回采完毕，内错4 号煤层8505 工作面5505 巷2.3 m，下部为8 号煤层实体煤；南部为5 号层305 盘区实体煤；东部为5 号层305 盘区大巷；西部为矿界安全煤柱。5 号煤层5505 巷地面标高为1352～1398 m，工作面标高为1028～1044 m。

2 掘进巷道临空动压分析

5 号煤层8503 工作面回采期间产生的超前及侧向支承压力预计会对5505 巷的稳定性产生影响，经论证分析，结果表明：

1）5 号煤层5505 巷周围采掘活动频繁，应力场环境复杂。4 号和5 号煤层属于近距离煤层开采，5 号煤层8503 工作面正在回采，5505 巷正在掘进，属于迎采动面掘进巷道。5 号煤层5505 巷既属于近距离煤层开采问题，又属于临空动压巷道问题。

2）近距离上部煤层开采会影响下部煤层应力场分布。对于近距离煤层开采而言，上部煤层的开采条件和距下部煤层的距离大小，将决定对下部煤层开采的影响程度，当上、下煤层间距离小到一定程度时，上部煤层开采对下部煤层开采的影响将非常显著，下部煤层开采之前顶板的完整性已受到上部煤层开采的破坏，而且因上部煤层的开采方法不同，使得下部煤层所处的力学环境也不同。数值计算结果表明：4 号煤8503 工作面回采在煤柱中产生的集中应力会向底板中传递，5 号煤应力在距离4 号煤采空区边缘13.8 m时开始攀升，深入煤柱20.8 m 后超过原岩应力，5505巷所处位置应力场已超过原岩应力，且在靠近采空区边缘时应力处于不均匀状态，不利于巷道的稳定。

3）5505 巷稳定性受多重因素影响，其中采动影响剧烈程度及影响次数是导致巷道变形主要因素。焦煤矿5 号煤5505 巷埋藏深度较小、地质构造简单，有利于巷道的稳定，但是其采动应力场环境复杂，既受已经回采完毕的4 号煤8503 工作面回采残余应力影响，又受临近5 号煤8503 工作面回采动压影响，且在5 号煤8505 工作面里部受上部4 号煤8505 工作面回采支承压力影响，在未来会受本工作面回采动压影响，其所处应力场环境受3～4 次工作面采动影响，不利于巷道围岩的稳定。

4）临近5 号煤层8503 工作面回采对5505 巷稳定性影响较为显著。目前5 号煤8503 工作面正在回采，5505 巷属于迎采动面掘进巷道，当5505 巷进入8503 工作面采空区范围时，8503 工作面采空区冒落矸石处于剧烈活动期，而且同4 号煤层采空区层间距小，上覆岩层活动更为剧烈，非常不利于巷道的稳定。

3 强烈动压巷道围岩控制原则

5 号煤8505 工作面5505 巷掘进期间受多次采动影响，为了避免巷道多次维护，提出如下控制原则[1]：

1）巷道围岩经历多次采动的影响，浅部围岩呈脆性破坏，破坏严重，局部为散粒状分布，为破碎型围岩。对此类围岩，必须大幅提高锚杆支护的初期强度和刚度，通过施加足够预紧力并通过组合构件实现预应力扩散，将围岩锚固成一整体，提高锚固体的强度，阻止围岩的裂隙扩展，防止围岩变形进一步恶化。具体应采用高预紧力锚杆锚索协调支护，补偿围岩侧向应力损失，阻止围岩内部节理、裂纹的扩展。

2）巷道浅部围岩的变形主要为裂隙扩展、散体滑动和节理错动等，属于不连续的有害变形，对这部分变形必须及时强力进行控制，阻止其进一步恶化。传统的“让压二次支护”无法阻止围岩表面的有害变形，沿空巷道支护应该采用强力一次支护的原则，最大限度地保持围岩的完整。

3）沿空掘巷会经历多次采动影响，围岩总体变形量大，因此锚杆支护系统必须能够适应多次采动的影响。采用“时空兼顾”的观点，一次支护即能满足多个阶段的支护要求，有效控制围岩的变形与破坏，避免多次支护与翻修。

4）沿空掘巷变形剧烈、变形量大，顶板回转对岩层的冲击作用强烈，要求支护系统应具有足够的强度、冲击韧性和较高的自身延伸率，以提高抗冲击能力，适应围岩的各向变形，控制围岩的不连续变形，适应围岩的连续变形。

5）沿空掘进巷道在临近工作面侧向支承压力的影响下，煤柱在高集中应力作用下会发生部分甚至全部屈服破坏，造成沿空巷道的帮部发生破坏，引起两帮的水平移动，从而会挤压顶板和底板，造成顶板钢带折断或底鼓现象。因此对于沿空巷道必须强化对两帮的支护，而且需要降低起锚高度，以减少因两帮移动引起的底鼓现象。

4 支护参数设计

4.1 支护设计原则

针对焦煤矿地质生产条件，为了充分发挥锚杆锚索主动支护的作用，提出以下设计原则：

1）一次支护原则。锚杆支护应尽量一次支护就能有效控制围岩变形，避免二次或多次支护。一方面，这是矿井实现高效、安全生产的要求，为采矿服务的巷道和硐室等工程，需要保持长期稳定，不能经常维修；另一方面，这是由锚杆支护本身的作用原理决定的。巷道围岩一旦揭露立即进行锚杆支护效果最佳，而在已发生离层、破坏的围岩中安装锚杆，支护效果会受到显著影响。

2）高预应力和预应力扩散原则。预应力是锚杆支护中的关键因素，是区别锚杆支护是被动支护还是主动支护的参数，只有高预应力的锚杆支护才是真正的主动支护，才能充分发挥锚杆支护的作用。一方面，要采取有效措施给锚杆施加较大的预应力；另一方面，通过托盘、钢带等构件实现锚杆预应力的扩散，以扩大预应力的作用范围，提高锚固体的整体刚度与完整性。

3）“三高一低”原则。即高强度、高刚度、高可靠性与低支护密度原则。在提高锚杆强度（如加大锚杆直径或提高杆体材料的强度）、刚度（提高锚杆预应力、加长锚固），保证支护系统可靠性的条件下，降低支护密度，以减少单位面积上锚杆数量，提高掘进速度[2]。

4）临界支护强度与刚度原则。锚杆支护系统存在临界支护强度与刚度，如果支护强度与刚度低于临界值，巷道将长期处于不稳定状态，围岩变形与破坏得不到有效控制。因此，设计锚杆支护系统的强度与刚度应大于临界值。

5）相互匹配原则。锚杆托盘、螺母、钢带等构件的参数与力学性能应相互匹配，锚杆与锚索的参数与力学性能应相互匹配，以最大限度地发挥锚杆支护的整体支护作用[3]。

6）可操作性原则。提供的锚杆支护设计应具有可操作性，有利于井下施工管理和掘进速度的提高。

7）在保证巷道支护效果和安全程度，技术上可行、施工上可操作的条件下，做到经济合理，有利于降低巷道支护综合成本。

4.2 支护参数确定的依据

1）临近及上覆工作面巷道现有支护状况和巷道变形情况；

2）理论分析及数值计算成果；

3）8505 工作面详细地质资料；

4）现有科技成果和工程实践经验。

4.3 支护参数原始与变更后设计

5 号煤8505 工作面5505 巷沿5 号煤底板掘进，考虑到掘进过程中设备尺寸、通风要求和巷道围岩变形预留量[4]，设计5505 巷掘进断面尺寸为宽×高=4000 mm×3400 mm，断面积13.6 m2。5505 巷掘进期间不同地段采动影响不同，既受已经回采完毕的4 号煤8503 工作面回采残余应力影响，又受临近5 号煤8503 工作面回采动压影响，同时在5 号煤8505 工作面里部受上部4 号煤8505 工作面回采影响。为此，5505 巷的支护设计将充分考虑三个阶段的影响：一是与5 号煤8503 工作面超前影响段，即5505 巷掘进时8503 工作面为实体煤，巷道成型后受8503 工作面回采动压影响；二是5 号煤8503 工作面滞后影响段，即5505 巷掘进时沿5 号煤8503 工作面采空区；三是4 号煤8505 工作面采空区下，即5505 巷掘进时位于4 号煤8505 工作面采空区下。

4.3.1 5 号煤层5505 巷原始支护设计

5 号煤层5505 巷原支护断面为矩形，设计规格为4 m×3.4 m，巷道原支护设计为：

1）顶锚杆：采用规格Φ20 mm×2500 mm 螺纹钢锚杆，排间距1000 mm、900 mm，每排5 根，全部垂直顶板打设；锚杆预紧力矩≥300 N·m；同时配合使用W 型钢带和菱形金属网支护，W 型钢带宽280 mm、厚5 mm、长3800 mm。菱形金属网规格6000 mm×1200 mm，网孔规格60 mm×60 mm，丝径4.19 mm。

2）锚索：采用规格Φ21.8 mm×8300 mm“二二”间隔布置，锚索排间距3000 mm、1400 mm，全部垂直顶板岩层，锚索预紧力张拉锁定后200 kN（锚索必须锚固到稳定岩层1500 mm 以上，生产班每班用锚杆机探测煤岩情况，根据顶板岩层厚度选取锚索长度）。

3）两帮护帮锚杆支护：采用规格Φ18mm×1500mm螺纹钢锚杆，护帮W 型钢带宽280 mm、厚5 mm、长450mm。巷道南帮护帮锚杆支护2 排，排间距1000mm、1500 mm；北帮考虑到在煤柱侧支护，护帮锚杆3 排，排间距1000 mm、1000 mm。

4）锚固剂选择：顶板及护帮锚杆每孔使用1 支MSK2360 树脂药卷锚固；锚索每孔使用2 支MSK2360 树脂药卷锚固。

4.3.2 5 号煤层5505 巷变更后支护设计

为了保证5 号煤层5505 巷采掘交锋期间的支护质量可靠，对5505 巷与8503 工作面采掘交锋点前后60 m 范围内的永久支护设计进行变更。变更后支护方式为：

1）顶板锚杆支护：仍按原设计执行，采用规格Φ20 mm×2500 mm 螺纹钢锚杆，排间距1000 mm、900 mm，每排5 根，锚杆全部垂直顶板打设；锚杆预紧力矩≥300 N·m；同时配合使用W 型钢带和菱形金属网支护，W 型钢带宽280 mm、厚5 mm、长3800 mm；菱形金属网规格6000 mm×1200 mm，网孔规格60 mm×60 mm，丝径4.19 mm。

2）顶板锚索支护：5 号层305 盘区5505 巷掘进至采掘交锋前60～40 m 和上覆4 号层8505 工作面采空区影响范围，顶板锚索支护由原来的每隔3 m 支护2 根单锚索变更为每隔2 m 支护2 根单锚索，其余支护方式不变，支护断面如图1 所示。5505 巷掘进至采掘交锋前20 m 和采掘交锋后60 m 范围，顶板锚索变更支护为每隔2 m 支护1 根“一梁三锚”，锚索采用规格Φ21.8 mm×8300 mm，锚索排间距2000 mm、1500 mm，锚索预紧力张拉锁定后200 kN；钢梁采用11 号矿用工字钢，钢梁长3500 mm、眼距1500 mm（锚索必须锚固到稳定岩层1500 mm 以上，生产班每班用锚杆机探测煤岩情况，根据顶板岩层厚度选取锚索长度），支护断面如图2 所示。

图1 采掘交锋前60～40 m 支护断面示意图（单位：mm）

图2 采掘交锋前20 m、后60 m 支护断面示意图（单位：mm）

3）两帮支护：5 号层5505 巷与8503 综放工作面交锋相距前、后60 m 前范围内，对北帮（煤柱侧）的护帮支护进行补强，两帮支护仍执行原设计。北帮支护设计变更为北帮护帮采用锚杆锚索联合支护，施工3 排螺纹钢锚杆，锚杆规格Φ18 mm×1500 mm，排间距为1000 mm、1000 mm，锚杆预紧力矩≥300 N·m；护帮W 型钢带宽280 mm，厚5 mm，长450 mm。施工2排护帮锚索，锚索规格Φ21.8 mm×4300 mm，排间距为2000 mm、1500 mm，上面一排锚索距顶板1000 mm，下面一排锚索距底板900 mm，锚索预紧力张拉锁定后150 kN，锚索托板使用钢质预应力托盘，规格为250 mm×250 mm×16 mm；护帮支护距工作面不大于3 m，当巷道两帮片帮达到200 mm 时，护帮网必须紧跟工作面。

4）锚固剂选择：顶板及护帮锚杆每孔使用1 支MSK2360 树脂药卷锚固。顶板锚索及帮锚索每孔使用2 支MSK2360 树脂药卷锚固。