復合頂板大斷面井巷支護的室內模擬試驗與現場監測研究

席 崗

（山西西山煤電股份有限公司鎮城底礦， 山西 古交 030203）

引言

目前，由于大斷面煤巷高度、寬度較大，且本身煤層或巖層的強度較低，導致在開采或掘進過程中存在施工速度慢、支護成本高、支護效果差等問題，極大地制約了大斷面煤巷連續性、安全性的生產[1]，因此，針對復合頂板大斷面煤巷的支護工作開展研究，為提升大斷面煤巷的支護效果和生產效率奠定基礎。

1 工程概況

以某礦3 號煤層工作面所屬的巷道為例，對其支護模擬、優化設計以及支護效果等方面開展研究。3 號煤層所屬煤礦的設計生產能力為6 Mt/a，工作面煤層的平均厚度為4.5 m，巷道的斷面形狀為矩形，寬度為5.5 m，高度為4.5 m。鑒于3 號煤層所屬巷道斷面尺寸交到，導致其在實際施工過程中出現裂隙擴張、煤體膨脹等問題，最終3 號煤層工作面出現冒頂、片幫以及底鼓等多種破壞形式。經探測，3 號煤層工作面頂底板情況如表1 所示。

目前，3 號煤層所屬巷道在實際生產中由于支護效果不佳出現如下問題：

1）巷道兩幫的收縮量較大且左右兩幫的收縮量不均勻；

2）巷道底板出現的底鼓現象較為嚴重，導致設備通過巷道的效率較低；

3）巷道頂板出現明顯的下沉、冒落等現象[2]。

2 室內模擬試驗方案的設計

為充分掌握3 號煤層工作面當前支護方案下巷道的變形、破壞情況，為巷道支護優化提供扎實的參考。本節將采用室內模擬試驗手段對當前支護方案進行研究。

表1 3 號煤層工作面頂底板情況

2.1 模型的搭建

3 號煤層巷道當前采用錨桿+錨索的聯合支護方式，具體支護參數如下：

頂板支護：采用錨桿+錨索的聯合支護參數，所選錨桿的直徑為22 mm，長度為2 m，錨桿間距為1 000 mm，錨桿排間距為900 mm，錨固長度為1 675 mm；所選錨索的直徑為22 mm，長度為8 m，錨索間距為2 000 mm，錨索排間距為1 800 mm，錨固長度為1 970 mm。

兩幫支護：采用錨桿+錨索的聯合支護參數，所選錨桿的直徑為22 mm，長度為2 m，錨桿間距為950 mm，錨桿排間距為900 mm，錨固長度為1 675 mm；所選錨索的直徑為17.8 mm，長度為5 m，錨索間距為1 500 mm，錨索排間距為1 800 mm，錨固長度為1 755 mm。

頂板和兩幫在錨桿、錨索聯合支護的基礎上，在頂板和左右兩幫鋪設金屬網片，其金屬網孔的規格為50 mm×50 mm，一套金屬網片的規格為5.6 m×1 m。

根據3 號煤層巷道斷面形狀，所建立實驗室模型的長度為160 cm、高度為160 cm、深度為40 cm；模型可承受的最大密集載荷可達5 MPa。根據巷道實際所承受的地層應力，為所建立模型施加垂直低壓為13.7 MPa 的載荷。根據巷道頂底板實際情況，按照對應比例配置石膏板模擬頂底板的砂巖、泥巖以及煤層等。根據當前巷道的實際支護參數對所搭建的實驗室模型進行支護，支護后的模型巷道如圖1 所示：

圖1 模型巷道的支護效果

2.2 試驗方案的設計及結果

模擬巷道實際開采時巷道頂板、兩幫所承受的壓力，采用逐步增加載荷的方式對巷道頂板和兩幫施加壓力，根據模擬所能承受的最大的密集載荷為5 MPa，本次試驗經歷10 次將頂板和兩幫的載荷增大至5 MPa，具體施加壓力過程如表2 所示：

表2 模型巷道載荷施加過程

2.2.1 模型巷道變形情況分析

觀察模型巷道在不同頂板、左右兩幫載荷作用下的變形情況，總結如下：當在施加載荷初期，巷道的變形主要表現在頂板和底板附近，兩幫尚未出現變形；當載荷施加至第四個階段后，模型巷道在Y方向的變形主要集中于頂底板，并且在X 方向（兩幫）也出現變形情況；隨著X、Y 方向載荷的繼續增大，左右兩幫、頂板及底板的變形越來越嚴重；當載荷增大至第十階段時，巷道左側巖層被嚴重破壞，且右幫由于頂板的嚴重下沉出現整體斷裂，與此同時底板也出現嚴重的底鼓現象[3]。

2.2.2 模型巷道應力變化情況分析

隨著頂板、兩幫載荷的不斷增大，模型巷道不同位置的應力情況各不相同，具體總結如下：頂底板水平應力在載荷為7 級時急劇增大；左底角水平應力在施加9 級載荷之前時小于0.1 MPa，而后急劇增大；巷道左幫在施加9 級載荷之前時小于0.2 MPa，而后急劇增大；右頂角在施加2 級載荷之前時小于0.25 MPa，而后急劇增大；巷道右幫在施加3 級載荷之前時小于0.2 MPa，而后急劇增大。

經對模型巷道各個位置垂直、水平應力綜合分析后可知：模型巷道整體所承受的水平應力大于垂直應力；巷道頂角的應力值大于底角的應力值；模型巷道左右兩幫的應力值較小。

經對模型巷道室內試驗結果進行分析可知，當前支護方案無法對巷道頂角、頂板進行較好的支護，因此需對該兩處位置的支護方案進行針對性優化設計，從整體下降低巷道的水平應力，避免巷道出現失穩的問題[4]。

3 井巷支護優化設計及礦壓監測

結合大斷面工作面支護原則、室內模擬試驗的結果、巷道的地質條件對原支護參數進行優化設計，優化后結果如下：

頂板支護：采用錨桿+錨索的聯合支護參數，所選錨桿的直徑為22 mm，長度為2.4 m，錨桿間距為1 000 mm，錨桿排間距為900 mm，錨固長度為1 675 mm；所選錨索的直徑為22 mm，長度為8.4 m，錨索間距為2 700 mm，錨索排間距為900 mm，錨固長度為1 970 mm。

兩幫支護：采用錨桿+錨索的聯合支護參數，所選錨桿的直徑為22 mm，長度為2.4 m，錨桿間距為950 mm，錨桿排間距為900 mm，錨固長度為1 675 mm；所選錨索的直徑為22 mm，長度為5.3 m，錨索間距為2 400 mm，錨索排間距為1 800 mm，錨固長度為1 755 mm。

為驗證參數優化后的支護效果，將重新優化設計的支護參數應用于井巷的支護中，并對礦壓進行監測，主要對巷道的變形情況進行監測，巷道變形情況對比結果如表3 所示：

表3 支護參數優化后巷道變形情況對比

如表3 所示，對井巷支護參數進行優化后，井巷頂板的下沉量得到明顯控制，兩幫的收斂量（移近量）也得到明顯控制。

4 結論

井巷支護效果直接決定綜采或掘進工作面的生產效率，尤其對于特殊工作面而言其支護參數的設計需嚴格根據巷道情況針對性的合理設計[5]。鑒于3號煤層井巷為大斷面井巷，其支護設計與其他井巷不同，本文著重對其當前支護效果進行室內模擬，并對優化后的支護效果進行驗證，具體總結如下：

1）3 號煤層井巷在當前支護狀態下，其頂角和頂板所承受的應力值較大，即對應支護效果較差；整個巷道水平應力普遍大于垂直應力，需從強化頂板和頂角處的支護效果著手對支護參數進行優化。

2）對井巷錨桿、錨索部分支護參數進行優化設計并應用于實際巷道支護后，巷道頂板的下沉量得到明顯控制，且巷道兩幫的移近量也得到明顯控制。