煤巷強礦壓顯現特征及大變形控制技術研究

高 峰

（霍州煤電集團什林煤業有限責任公司，山西 霍州 031400）

什林煤業公司井下巷道變形主要集中在掘進影響期間，掘進期間巷道圍巖內頻繁煤炮，為強礦壓顯現巷道，此類巷道頂板離層變化大、變化快。本文對強礦壓顯現特征、變形原因和機理進行了分析，有針對性地提出了大變形控制支護設計方案，并進行了工業性試驗，支護效果理想[1]。

1 巷道強礦壓顯現特征及變形原因

霍州煤電集團什林煤業公司位于霍州市退沙村后溝，井田面積9.500 9 km2，保有儲量7 033.0 萬t，設計能力90 萬t/a。在什林煤業公司井下巷道中，實體煤掘進巷道的變形較大，在掘進過程中常出現煤炮、煤壁片幫和冒頂等強礦壓顯現現象。分析可知，實體煤掘進巷道礦壓顯現的原因是受沖擊載荷影響，從而造成巷道圍巖破壞嚴重、變形量較大。什林煤業井下屬于構造應力場類型，側壓系數λ=1.33～1.99，煤體強度為18～20 MPa。分析可知礦4#和5#煤層巷道大變形主要是因為巷道的支護方式不合理，無法對巷道圍巖進行有效控制，導致巷道圍巖變形量較大[2]。

2 巷道圍巖控制思路及機理分析

當前，錨桿支護技術仍然是煤礦井下沖擊性巷道的首選支護方式[3]。天地科技公司鞠文君教授[4]認為沖擊礦壓巷道采用錨桿支護的工作原理為：錨桿支護對巷道圍巖的強度可以進行強化，能改良圍巖應力狀態，約束對圍巖變形的破壞，吸收沖擊剩余能量，可以有效降低巷道圍巖的變形量。

基于沖擊礦壓巷道采用錨桿支護的工作原理，考慮到什林煤業井下巷道地質條件實況，提出了基于高預應力強力支護理論的支護設計方案，采用高強度強力錨固體系來保障井下巷道錨固區范圍的穩定性。該支護體系具有的高延伸率，可以實現錨固區在一定程度上的連續變形[5]。

3 現場工業性試驗

3.1 二采區5244 運輸巷的支護設計分析

3.1.1 巷道地質與生產條件

二采區5244 工作面運輸巷道埋深390～480 m，沿煤層底板進行掘進，巷道掘進斷面為矩形斷面：掘進寬度×掘進高度=4.2 m×3.1 m，掘進斷面積13.02 m2。煤層平均厚度14.5 m，煤巖主要成分：鏡煤、亮煤、暗煤和絲煤，由石英砂巖、粉砂巖、泥巖及泥灰巖組成，平均強度21.08 MPa，較堅硬。該巷道附近測點最大水平主應力、最大垂直主應力、最小水平主應力分別為16.53 MPa、11.34 MPa、9.13 MPa。

3.1.2 巷道支護設計

針對在該類型巷道支護設計中采用錨桿支護容易失效問題[6]，在5244 工作面運輸巷頂板支護設計中采用全錨索支護設計方案，可施加較大預緊力，可形成錨固區穩定、延伸率大的支護系統。主要支護參數設計如下：（1）頂板使用Ф22 m、長5.3 m鋼絞線，間排距為1100 mm×1000 mm；托板采用高強度拱形托板，規格300 mm×300 mm×16 mm，初始張拉力不小于300 kN。（2）兩幫采用Ф20 mm、長2000 mm 玻璃圓鋼錨桿，間排距1100 mm×1000 mm，配合高強度托盤調心球墊和減磨球墊，錨桿托板采用高強度拱形托板。（3）頂板使用雙層網魚鱗狀搭接，聯網使用14#號鐵絲，雙股鐵絲擰扣；兩幫使用單層14#號鐵絲網護表。5244 工作面運輸巷支護設計布置情況如圖1 所示。

圖1 5244 工作面運輸巷支護設計布置示意圖 (單位：mm)

3.1.3 礦壓監測及分析

5244 工作面運輸巷支護后，對該巷道表面變形情況進行礦壓監測，結果如圖2。從巷道表面變形監測結果可知，該巷道變形經歷了劇烈期和穩定期兩個階段，在整個期間頂板下沉量約140 mm，兩幫移近量近60 mm，頂板下沉量和兩幫移近量數值較小，全部在巷道圍巖變形的可控范圍內，對比同類型巷道圍巖變形量降低65%左右。

圖2 5244 工作面運輸巷表面變形情況

3.2 三采區W4205 運輸巷的支護設計分析

3.2.1 巷道地質與生產條件

三采區W4205 工作面運輸巷埋深316.1～350.3 m，該巷道沿煤層底板進行掘進，巷道掘進斷面為矩形斷面：掘進寬度×掘進高度=4.2 m×3.1 m，掘進斷面積13.02 m2。煤層平均厚度7.5 m，煤巖主要成分：鏡煤、亮煤、暗煤和絲煤，由石英砂巖、粉砂巖、泥巖及泥灰巖組成，平均強度為19.13 MPa，較為堅硬。該巷道附近測點最大水平主應力、最大垂直主應力、最小水平主應力分別為9.50 MPa、9.23 MP、5.17 MPa。最大水平主應力方向N48.4°W，巷道布置方向為N90°W，因此受地應力的影響較大。

3.2.2 巷道支護設計

從W4205 工作面運輸巷煤層的實況可知，煤巖變形以離層和碎脹為主。因此針對這一情況，該巷道采用頂板錨桿配合W 鋼護板聯合支護，主要參數設計如下：

（1）巷道頂板采用Ф20 mm、長度2400 mm左旋無縱筋螺紋鋼等強錨桿，屈服強度500 MPa，錨固方式：采用每孔2 支錨固劑，1 支CK2335 藥卷，1 支K2360 藥卷，預緊扭矩不低于300 N·m，錨桿間距900 mm，排距900 mm；采用高強度拱形托板，規格150 mm×150 mm×10 mm；采用W 鋼護板，規格450 mm×280 mm×4 mm，中間圓形孔規格為Ф50 mm。兩幫采用Ф20 mm、長度2000 mm 的圓鋼樹脂錨桿，錨桿桿體屈服強度大于235 MPa，抗拉強度大于375 MPa，錨固方式：采用每孔1 支K2360 藥卷錨固劑，預緊扭矩不低于200 N·m，錨桿間距1100 mm，排距900 mm；采用高強度拱形托板，托板規格120 mm×120 mm×8 mm，鋼筋托梁規格：SB-14-3300-3。

（2）頂板錨索材料為Ф18.9 mm、1×7 股高強度低松弛預應力鋼絞線，長為6300 mm，每隔一排打三根錨索，間距1400 mm，排距1800 mm， 錨索錨固劑：每孔使用1 支CK2335 錨固劑和2 支K2360 錨固劑，錨索的護表構件變為高強度拱形托板，規格為300 mm×300 mm×16 mm，初始張拉力不低于250 kN。W4205 工作面運輸巷支護布置情況如圖3 所示。

圖3 W4205 工作面運輸巷支護布置示意圖(單位：mm)

（3）巷道全斷面聯網使用14#鐵絲網護表，雙層網魚鱗狀搭接。

3.2.3 礦壓監測及分析

W4205 工作面運輸巷支護設計方案完成并實施后，對該巷道錨桿受力情況進行了監測，監測結果如圖4 所示。從圖中數據可知，頂板錨桿平均預緊力35 kN，幫錨桿平均預緊力為40 kN。頂板錨桿處于15～25 m 區域內，平均預緊力突增，25～80 m 區域內，平均預緊力位于穩定的60 kN。幫錨桿整體的平均預緊力變化幅度較小，基本穩定在55 kN。從上述數據可知，巷道錨桿受力情況正常，支護方案安全系數較大。

通過該巷道表面變形情況監測顯示，在整個變形期間，頂板下沉量約為120 mm，兩幫移近量近70 mm，頂板下沉量和兩幫移近量數值較小，對比同類型巷道圍巖變形量降低71%左右。

圖4 錨桿受力變化情況

4 結論

針對什林煤業公司巷道掘進初期煤炮頻緊，巷道礦壓顯現強烈、變形速度快、規律復雜，以離層為主的特點，設計了大變形控制支護設計方案，在二采區5244 運輸巷采用全錨索強力支護、在三采區W4205 運輸巷采用高預應力錨桿錨索組合支護工業試驗，巷道圍巖的變形量得到有效控制，對比同類型巷道變形和離層值均下降了65%以上，支護設計方案合理，降低了支護成本，提高了掘進效率。