碎裂頂板大斷面巷道支護(hù)技術(shù)研究

麻龍斗

（山西汾西礦業(yè)南關(guān)煤業(yè)有限責(zé)任公司，山西 靈石 031304）

隨著我國(guó)煤炭開采技術(shù)的不斷發(fā)展，設(shè)備逐漸趨于機(jī)械化和大型化，為了滿足煤炭生產(chǎn)安全的要求，大斷面巷道才能滿足設(shè)備的高效安全運(yùn)輸[1-3]。煤礦巷道頂板碎裂容易發(fā)生冒頂事故，影響工作面正常生產(chǎn)和井下人員安全[4]。因此，碎裂頂板大斷面巷道支護(hù)成為了亟待解決的問題，結(jié)合汾西礦業(yè)集團(tuán)南關(guān)煤業(yè)3210 工作面運(yùn)輸巷對(duì)此難題進(jìn)行研究。

1 工程概況

汾西礦業(yè)集團(tuán)南關(guān)煤業(yè)3210 工作面東部、北部、南部為實(shí)煤區(qū)，西部為三條盤區(qū)大巷。3210 工作面開采2#煤層，煤層裂隙發(fā)育較多，煤層平均厚度2.4 m。3210 工作面整體為一小型單斜構(gòu)造，煤層傾角約為5°。3210 工作面運(yùn)輸煤巷3210 巷道為進(jìn)風(fēng)、運(yùn)煤的巷道，并兼做行人巷使用，為矩形斷面，巷道掘進(jìn)寬5500 mm，凈寬5300 mm，凈高3600 mm，凈斷面5.3×3.6=19.08 m2，屬于大斷面煤巷。巷道的頂板和兩幫都是煤體，煤體中存在很多弱面，在回采壓力的影響下，頂板破碎嚴(yán)重，巷道圍巖很容易發(fā)生變形，巷道的支護(hù)體系常常出現(xiàn)失效的現(xiàn)象[5-6]。

原有巷道設(shè)計(jì)方案如圖1，巷道頂板采用錨網(wǎng)索聯(lián)合支護(hù)。其中，頂板錨索采用Φ22 mm×7900 mm 的錨索，間排距為1600 mm×1500 mm，每排3 根，兩邊錨索分別距離兩幫1250 mm。頂板錨桿采用Φ20 mm×2500 mm 的左旋無(wú)縱筋螺紋鋼錨栓，每排布置5 根，兩頂角錨桿分別距兩幫150 mm，間排距為800 mm×1300 mm，均垂直于頂板布置。金屬網(wǎng)采用Φ6 mm 圓鋼，網(wǎng)格尺寸為100 mm×100 mm。煤柱側(cè)幫部每排布置3 根錨桿，采用Φ18 mm×2000 mm 左旋無(wú)縱筋螺紋鋼錨桿，間排距為900 mm×1500 mm，上下部錨桿距頂?shù)装彘g距均為300 mm，均垂直于巷幫布置。工作面?zhèn)让颗挪贾? 根錨桿，采用Φ20 mm×2000 mm 玻璃鋼錨桿，間排距為900 mm×1500 mm，上下部錨桿距頂?shù)装彘g距均為300 mm。

圖1 原有支護(hù)方案

采用上述支護(hù)方案，巷道圍巖變形劇烈，礦壓顯現(xiàn)明顯，存在頂板下沉、冒落片幫的嚴(yán)重風(fēng)險(xiǎn)，不能保證巷道的安全。

2 煤巖樣采集測(cè)試及巖性評(píng)價(jià)

對(duì)3210 運(yùn)輸巷進(jìn)行鉆孔取樣，在實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行物理力學(xué)性質(zhì)試驗(yàn)，結(jié)合3210巷綜合地質(zhì)柱狀圖，得出相關(guān)的頂板巖石基本情況和力學(xué)性質(zhì)，見表1和表2。3210 巷道是一條煤巷，沿著煤層底板布置，巷道高度為3.6 m，煤層厚度為2.4 m，煤巷的直接頂為炭質(zhì)泥巖，直接底為砂質(zhì)泥巖。

表1 3210 巷道頂板巖體基本質(zhì)量分級(jí)

表2 煤巖樣物理力學(xué)參數(shù)

3 原有巷道支護(hù)設(shè)計(jì)優(yōu)化

優(yōu)化后依然采用錨網(wǎng)索聯(lián)合支護(hù)的方式，提出使用更高強(qiáng)度、更大延伸量的錨桿和錨索進(jìn)行支護(hù)。具體設(shè)計(jì)方案如圖2，其中頂板錨索采用規(guī)格Φ17.8 mm×8300 mm 的錨索，間排距1600 mm×1600 mm，每排3 根，兩邊錨索分別距離兩幫1150 mm。頂板錨桿采用Φ20 mm×3100 mm 的左旋無(wú)縱筋螺紋鋼錨栓，每排布置7 根，兩頂角錨桿分別距兩幫450 mm，間排距為800 mm×800 mm，兩幫側(cè)錨桿與巷道頂板夾角75°，其余均垂直于巷道頂板布置。金屬網(wǎng)采用Φ6 mm 圓鋼，網(wǎng)格尺寸為100 mm×100 mm。煤柱側(cè)幫部每排布置3根錨桿，采用Φ18 mm×2500 mm 左旋無(wú)縱筋螺紋鋼錨桿，間排距為900 mm×900 mm，上下部錨桿距頂?shù)装彘g距均為450 mm，均垂直于巷幫布置。工作面?zhèn)让颗挪贾? 根錨桿，采用Φ20 mm×2500 mm 玻璃鋼錨桿，間排距為900 mm×900 mm，上下部錨桿距頂?shù)装彘g距均為450 mm，均垂直于巷幫布置。

圖2 3210 巷道支護(hù)方案

4 工程實(shí)測(cè)結(jié)果與分析

對(duì)優(yōu)化方案進(jìn)行數(shù)值模擬后，發(fā)現(xiàn)優(yōu)化后的支護(hù)新方案支護(hù)效果更好，可以達(dá)到對(duì)巷道支護(hù)的目的。在工程現(xiàn)場(chǎng)使用了優(yōu)化后的方案進(jìn)行支護(hù)，對(duì)巷道的頂板下沉量和兩幫移近量進(jìn)行實(shí)測(cè)，選取具有代表性的數(shù)據(jù)如圖3。在回采后的一段時(shí)間內(nèi)巷道發(fā)生了可控范圍內(nèi)的變形，在一個(gè)月后，巷道不再有明顯變形，證實(shí)了提出的優(yōu)化支護(hù)方案對(duì)3210碎裂頂板大斷面巷道控制的有效性。

圖3 圍巖變形實(shí)測(cè)結(jié)果

5 結(jié)論

（1）碎裂頂板大斷面巷道原有支護(hù)方案不能保證巷道的安全，巷道圍巖很可能出現(xiàn)變形，導(dǎo)致劇烈的礦壓顯現(xiàn)，存在頂板下沉、冒落片幫的嚴(yán)重風(fēng)險(xiǎn)。

（2）針對(duì)3210 工作面運(yùn)輸巷的支護(hù)問題，提出新的支護(hù)方案，在經(jīng)過數(shù)值模擬后用于工程實(shí)踐。在實(shí)踐中表明優(yōu)化后的支護(hù)方案可以有效控制巷道變形，為巷道維護(hù)節(jié)約了成本，滿足了巷道正常使用的需求，并為其他碎裂頂板大斷面巷道支護(hù)提供參考價(jià)值。