特厚煤層綜放大斷面孤島工作面巷道支護技術研究

白 宙 畢俊剛 白志兵

(1.西山煤電集團設計院，山西 太原 030053；2.山西西山晉興能源有限責任公司斜溝煤礦，山西 興縣 035300)

斜溝礦工作面目前多采用“跳采”的方式開采，隨著礦井開采強度和規模的擴展，會涌現出越來越多的孤島工作面，在巷道服務期間會出現礦壓顯現強烈的現象，巷道圍巖變形顯著增大，局部地段巷道出現錨桿(索)破斷、鋼帶撕裂、煤壁片幫、頂板下沉等嚴重危害巷道安全的事件[1-3]。以特厚煤層13號煤為例，為從根本上解決孤島工作面巷道的支護問題，杜絕巷道的反復維修，降低維護投入費用，給礦井營造良好的開采空間和運輸通道，實現安全高效開采，特厚煤層綜放大斷面孤島工作面巷道支護技術研究就很有必要。

1 工作面情況

位于礦井二水平的23105工作面地處21采區北部，其西部與已回采的23103工作面相鄰，其東部與目前正在回采的23107工作面相鄰，其北部未進行開采活動，上覆8號煤層的采空區，平均層間距53 m。13號煤層的平均厚度為14.5 m，采高3.8 m，放煤高度10.7 m，工作面的走向、傾斜長度分別為3 207.45 m、247.79 m。直接頂為厚度5.36 m的泥巖，老頂為厚度4.49 m的細粒砂巖，直接底為厚度3.45 m的泥巖，老底為厚度6.14 m的砂質泥巖，蓋山厚度在223～342 m的范圍之內。工作面平面布置圖如圖1所示。

圖1 23105工作面布置示意

2 膠帶巷受力與變形特征分析

23105膠帶巷屬于特厚煤層綜放大斷面孤島工作面巷道(距采空區煤柱約20 m)，與其相鄰的23103工作面已在2014年底前回采結束，采空區巖石基本上處于穩定狀態。然而同樣與23103工作面相鄰的23101材料巷，其距離采空區的凈煤柱寬度為12 m，巷道在回采期間變形量大，大量的玻璃鋼錨桿發生了破斷，現場補打了大量錨索，付出了巨大的人力物力，也對正常回采作業產生了影響。23105工作面所采13號煤層的平均厚度為14.5 m，盡管與其相鄰的23103工作面已回采結束較久，但是23105工作面進行開采作業期間又會對已相對穩定的圍巖造成二次擾動破壞，其相鄰23103采空區頂板會再次活動并且與23105工作面開采時的超前支承壓力產生疊加效應，容易導致孤島工作面巷道的礦壓顯現，尤其是在煤柱上方會出現較高的支承壓力，加大現場巷道維護難度。為此，本文通過UDEC數值模擬軟件分析研究其相鄰的23103工作面開采后和23105膠帶巷掘巷時圍巖應力情況，以實現為后續提出科學合理的支護方案提供基礎依據[4-6]。

2.1 數值模型

通過UDEC數值模擬軟件分析研究與23105工作面相鄰的23103工作面開采后和膠帶巷掘巷時的圍巖應力情況，依據現場地質條件建立數值模擬模型，模型尺寸為320 000 mm×120 000 mm，限制模型X軸方向上的左右移動及其底部Y軸方向上的移動，數值模擬模型如圖2所示。

圖2 數值模型

2.2 模擬結果分析

2.2.1 23103工作面采空后煤柱內應力分布狀態

圖3、圖4為23103工作面開采后煤柱支承壓力和圍巖屈服分布情況。

圖3 23103工作面采空區側向支承壓力分布

圖4 23103工作面回采后圍巖屈服狀態

由圖3、圖4可以看出：

1) 對于綜放工作面而言，工作面采高大，采用放頂煤開采，采空區頂板垮落后，頂板壓力顯現狀況要高于普通大采高工作面，特別當頂板難以垮落、懸頂面積大時，其形成的支承壓力也較高，同時靠近工作面端頭的懸頂也會對采空區側向支承壓力產生較大影響，當煤柱選擇支護不合理時，臨近的孤島工作面巷道動壓難以控制。

2) 23103工作面回采后，其臨近23105工作面煤柱的最大殘留支承壓力值為17.69 MPa(見線1)，與煤壁之間距離為7.3 m，對應的應力集中系數值為2.08。由于23105膠帶巷沿底掘送，23103工作面在底板上的最大支承壓力值為15.43 MPa(見線2)，與煤壁之間距離為9.8 m，對應的應力集中系數值為1.81。在23105膠帶巷與23103采空區留設煤柱20 m，23103采空區側支承壓力要低于采空區中線位置的支承壓力，而且峰值位置向煤柱的深部移動。

3) 受高支承壓力影響，在23103工作面回采結束之后，煤柱之中會出現屈服破壞，其最大深度達到了7.5 m，造成了支承壓力的峰值向著煤柱深部移動。

2.2.2 23105膠帶巷掘進時煤柱內應力分布狀態

圖5、圖6為23105膠帶巷掘進期間煤柱支承壓力和圍巖屈服分布情況。

圖5 23105膠帶巷掘進后支承壓力分布

圖6 23105膠帶巷掘送后圍巖屈服狀態

由圖5、圖6可以看出：

1) 23105膠帶巷掘進期間，其巷道兩側發生了顯著的應力集中情況，其中采空區幫側支承壓力最大值為21.38 MPa，與巷幫之間距離為2.8 m，對應的應力集中系數值為2.5，比23103工作面開采后所產生的最大支承壓力大20.8%，正是由其相鄰23103采空區頂板會再次活動并且與23105工作面開采時的超前支承壓力產生疊加效應所造成的。實體煤幫側支承壓力最大值為21.25 MPa，與巷幫之間距離為2.3 m，對應的應力集中系數值為2.5。

2) 受高支承壓力影響，在23105膠帶巷掘進期間圍巖出現屈服破壞，其中巷道幫側的最大屈服破壞深度為3 m，頂板最大屈服破壞深度為2.1 m，因此必須采用強力錨桿錨索進行加強支護，各礦現場實踐表明巷道幫部錨索可以有效控制圍巖變形破壞，并且降低起錨高度還具有減弱支承應力造成的巷道底鼓。

3 支護方案設計

根據上述數值模擬分析結果，對23105膠帶巷支護方案進行重新設計。其掘進斷面為矩形，巷道斷面寬5 500 mm，高3 800 mm，斷面積為20.9 m2，沿13號煤層底板掘進，采用高預應力錨桿錨索的支護方式。

3.1 頂板支護

錨桿規格：采用規格D22 mm左旋無縱筋螺紋鋼錨桿，鋼號400號，長度為2.6 m，螺紋M24。

錨桿錨固：每根錨桿安裝1支MSCK2380型和1支MSZ2380型樹脂錨固劑，采用加長錨固的方式，錨固長度為1 525 mm。

錨桿配件：錨桿配合規格M24×3的高強錨桿螺母以及托板調心球墊、尼龍墊圈，錨桿托板為拱型高強度托板，尺寸150 mm×150 mm×10 mm，要求其承載能力≥325 kN。

錨桿布置：垂直于頂板打設，間距為850 mm，排距為900 mm，要求其預緊力矩≥300 N·m。

網片規格：采用10號鐵絲編織的菱形金屬網，網片尺寸為6 500 mm×1 000 mm，網孔尺寸為50 mm×50 mm。

鋼帶規格：采用“W”型鋼帶，尺寸為5 300 mm×280 mm×3 mm。

錨索規格：采用規格D21.6 mm的17股高強度低松弛預應力鋼絞線，長度為8 300 mm。

錨索錨固：每根錨索安裝1支MSCK2380型和2支MSZ2380型樹脂錨固劑，錨固長度為2 196 mm。

錨索配件：錨索托板尺寸為300 mm×300 mm×14 mm的拱形高強度托板，并配套相應鎖具。

錨索布置：垂直于頂板打設，間距為1 350 mm、1 700 mm，排距為1 800 mm，要求其預緊力≥200 kN。

3.2 兩幫支護

3.2.1 工作面幫

錨桿規格：采用規格D20 mm全螺紋玻璃纖維錨桿，長度2.1 m，配專用托板。

錨桿錨固：每根錨桿安裝1支MSZ2380型樹脂錨固劑，錨固長度為634 mm。

護板規格：采用“W”型鋼護板，尺寸為400 mm×280 mm×3 mm。

錨桿布置：垂直于幫部打設，間距為1 200 mm，排距為900 mm，最頂部一排錨桿距離頂板300 mm，要求其預緊力矩≥40 N·m。

3.2.2 實體煤幫

錨桿規格：采用規格D22 mm左旋無縱筋螺紋鋼錨桿，鋼號400號，長度為2.6 m，螺紋M24。

錨桿錨固：每根錨桿安裝1支MSZ2380型樹脂錨固劑，錨固長度為760 mm。

錨桿配件：配合規格M24×3的高強錨桿螺母以及托板調心球墊、尼龍墊圈，錨桿托板為拱型高強度托板，尺寸150 mm×150 mm×10 mm，要求其承載能力≥325 kN。

護板規格：采用“W”型鋼護板，尺寸為400 mm×280 mm×3 mm。

網片規格：采用10號鐵絲編織的菱形金屬網，網片尺寸為2 800 mm×1 000 mm，網孔尺寸為50 mm×50 mm。

錨桿布置：垂直于幫部打設，間距為900 mm，排距為900 mm，最頂部一排錨桿距離頂板300 mm，要求其預緊力矩≥300 N·m。

幫錨索規格：采用規格D17.8 mm的鋼絞線，長度為4 300 mm。

錨索錨固：每根錨索安裝一支MSCK2380型和兩支MSZ2380型樹脂錨固劑，錨固長度為1 525 mm。

錨索配件：錨索托板尺寸為300 mm×300 mm×14 mm的拱形高強度托板，并配套相應鎖具。

錨索布置：巷幫中部打設1排，間距1 800 mm，要求其預緊力≥120 kN。

23105膠帶巷支護設計見圖7。

圖7 23105膠帶巷支護設計方案(mm)

4 結 語

1) 經濟效益：23105膠帶巷原支護方案成本大約為3 771.85元/m，采用新方案后成本大約為3 324.12元/m，可以節省447.73元/m，考慮到23105膠帶巷為特厚煤層綜放大斷面孤島工作面巷道，為了避免巷道后期大量維護，耗費大量的人力物力，且威脅人員安全，必須在掘進期間就應加強23105膠帶巷的支護。

2) 幫部錨索對于控制幫部巷道變形效果良好，降低起錨高度還能減弱支承應力造成巷道底鼓。因此，不僅要提高錨桿長度、強度，還要補充幫錨索對圍巖的變形進行控制。