特厚頂煤大斷面回采巷道掘支技術(shù)優(yōu)化

李鵬飛

（晉能控股煤業(yè)集團(tuán)塔山煤礦，山西 大同 037000）

晉能控股煤業(yè)集團(tuán)塔山煤礦主采石炭系3-5#煤層，5119 回風(fēng)巷頂煤垂直裂隙發(fā)育，掘進(jìn)中時(shí)有漏、冒現(xiàn)象發(fā)生。同時(shí)，由于巷道施工設(shè)計(jì)斷面大，導(dǎo)致頂板下沉量大、掘支耗時(shí)長(zhǎng)、成巷效率低，對(duì)礦井正常采掘接替和安全高效生產(chǎn)造成嚴(yán)重影響。因此在保證5119 巷整體穩(wěn)定性的前提下，需對(duì)巷道設(shè)計(jì)和支護(hù)方案進(jìn)行優(yōu)化。國(guó)內(nèi)學(xué)者在特厚頂煤巷道支護(hù)上的研究主要集中在圍巖變形控制[1]和支護(hù)技術(shù)[2-3]上。在特厚頂煤破碎[4-5]及過(guò)斷層群[6]等復(fù)雜條件下巷道快速掘支技術(shù)和理論都有非常豐富的研究，提出了許多新型支護(hù)方案，取得良好的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果。基于研究，結(jié)合5119 回風(fēng)巷特有地質(zhì)條件和現(xiàn)有掘進(jìn)設(shè)備和支護(hù)手段，對(duì)塔山礦特厚頂煤回采巷道支護(hù)難、頂板下層量大、掘進(jìn)速度慢的問(wèn)題進(jìn)行研究。

1 概況

塔山煤礦8119 工作面主采石炭系3-5#煤層，5119 巷為8119 工作面回風(fēng)巷，底板平均埋深580 m，煤層平均厚度為18.7 m，普氏系數(shù)f=3.5，傾角1°～3°。受地質(zhì)構(gòu)造影響，頂煤垂直節(jié)理和斜節(jié)理非常發(fā)育，煤層偽頂為0.2 m 的炭質(zhì)泥巖，直接頂為9.2 m 的砂質(zhì)泥巖，直接底為2.1 m 的高嶺巖，基本底為22.5 m 的細(xì)砂巖。

5119 回風(fēng)巷道原設(shè)計(jì)斷面為直角矩形，寬度為5.40 m，高度為3.65 m。頂錨桿采用Φ22 mm、L2500 mm 左旋無(wú)縱筋螺紋鋼，錨桿錨固長(zhǎng)度為1.4 m。排間距900/1800 mm×900 mm。兩幫采用規(guī)格為Φ20 mm、L2000 mm 左旋無(wú)縱筋螺紋鋼錨桿，錨固長(zhǎng)度0.9 m，排間距900 mm×900 mm；頂錨索采用Φ17.8 mm、L8300 mm 錨索，采用端頭錨固，錨固長(zhǎng)度1.78 m。巷道斷面如圖1。

圖1 5119 回風(fēng)巷原支護(hù)示意圖（mm）

2 原支護(hù)方案圍巖穩(wěn)定性分析

2.1 巷道位移量觀測(cè)

為了掌握5119 巷頂板支護(hù)質(zhì)量，巷道內(nèi)利用十字布點(diǎn)法布置兩個(gè)表面位移觀測(cè)站，收集巷道頂板離層儀數(shù)據(jù)，分析離層量變化情況。如圖2 所示，表面位移觀測(cè)表明，巷道支護(hù)完成后兩幫圍巖移動(dòng)變形要先于頂板達(dá)到穩(wěn)定，頂?shù)装鍑鷰r變形速率要快于兩幫，最終，頂?shù)装逑鄬?duì)移近距離為57 mm，兩幫相對(duì)移近量為72 mm。

圖2 巷道圍巖收斂圖

如圖3 所示，通過(guò)200 m 范圍內(nèi)相鄰的4 個(gè)頂板離層儀觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，頂板離層量為18～31.6 mm。原巷道斷面設(shè)計(jì)及使用的支護(hù)方式基本能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)煤巷兩幫的支護(hù)，但對(duì)頂板離層控制較差。

圖3 巷道頂?shù)装咫x層情況

現(xiàn)場(chǎng)施工過(guò)程中，由于斷面大，支護(hù)工序占用大量時(shí)間，巷道空頂區(qū)得不到及時(shí)支護(hù)，容易造成離層。因此巷道斷面及支護(hù)布置方式需作出調(diào)整，減小巷道工程量和頂板離層量，提高支護(hù)強(qiáng)度。

2.2 原方案數(shù)值模擬

為進(jìn)一步了解原支護(hù)方案不合理布置之處，對(duì)原方案進(jìn)行數(shù)值模擬，分析巷道圍巖破壞深度、應(yīng)力分布特點(diǎn)，為優(yōu)化設(shè)計(jì)方案提供基礎(chǔ)。數(shù)值模擬巖體參數(shù)選取該巷道頂?shù)装鍘r芯力學(xué)試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 模型各巖層材料參數(shù)

2.3 巷道圍巖穩(wěn)定性分析

如圖4 所示，頂板在錨桿、索施加的軸線應(yīng)力作用下，破壞形式主要表現(xiàn)為剪切破壞，破壞深度為3.89 m，沒(méi)有發(fā)生拉破壞。巷道兩幫在幫錨桿支護(hù)作用下穩(wěn)定后形成的拉應(yīng)力破壞區(qū)域較小，巷道兩幫集中表現(xiàn)為剪切破壞。從垂直位移云圖可以看出，頂板最大下沉量為45.6 mm，位于頂板中部。通過(guò)數(shù)值模擬進(jìn)一步說(shuō)明原方案頂板錨桿錨索支護(hù)布置方式的不合理性。因此，應(yīng)該調(diào)整巷道頂板中部錨桿、錨索支護(hù)強(qiáng)度及布置方式，減少頂板下沉量。

圖4 原方案巷道圍巖塑性區(qū)及垂向位移圖

3 支護(hù)方案優(yōu)化

綜合考慮經(jīng)濟(jì)成本和巷道質(zhì)量，優(yōu)化后的5119 回風(fēng)巷支護(hù)方案如下：頂錨桿采用Φ22 mm、L2500 mm 左旋無(wú)縱筋螺紋鋼錨桿，排間距1000/2000 mm×1000 mm，錨固長(zhǎng)度1.4 m，配合五 眼W 鋼 帶，規(guī) 格 為4300 mm×280 mm×3.75 mm，托板采用245 mm×150 mm×10 mm 高強(qiáng)度拱型托板。兩幫錨桿采用Φ20 mm、L2000 mm 左旋無(wú)縱筋螺紋鋼錨桿，錨固長(zhǎng)度0.9 m，排間距1000 mm×1000 mm，使用W 鋼護(hù)板，規(guī)格為450 mm×280 mm×4.75 mm，托板采用150 mm×150 mm×10 mm 高強(qiáng)度拱型托板。頂錨索采用Φ17.8 mm、L8300 mm 錨索，錨固長(zhǎng)度1.78 m，排間距3000 mm×1000 mm，配合五眼JW 鋼帶，規(guī)格為4500 mm×330 mm×6 mm，托盤采用規(guī)格為220 mm×200 mm×12 mm 的高強(qiáng)度異形托盤。巷道兩側(cè)腮部打Φ17.8 mm、L4300 mm 的錨索，排距為3000 mm，托梁采用長(zhǎng)600 mm 的11#礦用工字鋼，支護(hù)斷面示意圖如圖5。

圖5 5119 回風(fēng)巷優(yōu)化支護(hù)斷面示意圖（mm）

4 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)分析

為驗(yàn)證新方案的支護(hù)效果，在5119 回風(fēng)巷新掘進(jìn)段中沿巷道走向垂直頂板布置兩個(gè)離層儀觀測(cè)孔，間距80 m，安裝頂板離層儀。離層儀淺基點(diǎn)布置在距頂板2.5 m 處，深基點(diǎn)布置在距頂板7 m 處。儀器自動(dòng)記錄巷道圍巖離層值。

從不同測(cè)站頂板離層量折線圖6、圖7 可知，2#測(cè)站頂板最大離層總量也只有3 mm，考慮到圍巖的膨脹變形，可以認(rèn)為頂板沒(méi)發(fā)生離層。從表面位移觀測(cè)中知頂板下沉量也很小，但要比離層量大一些，這說(shuō)明頂板下沉主要是上部巖體的總體沉降造成的，錨索支護(hù)范圍內(nèi)的圍巖體整體性好，頂板圍巖得到了良好的支護(hù)。

圖6 1#測(cè)站頂板離層情況

圖7 2#測(cè)站頂板離層情況

根據(jù)各工序時(shí)長(zhǎng)測(cè)算統(tǒng)計(jì)，不同部位的錨桿、錨索安裝時(shí)間見(jiàn)表2。對(duì)比優(yōu)化方案與原方案，縮小斷面寬度，頂板錨索每排少支護(hù)1 根，每100 m少支4 排，累計(jì)少支57 根錨索，節(jié)約時(shí)間932.4 min；頂板錨桿每排少支護(hù)1 根，每支護(hù)100 m 少支7 排，累計(jì)少支109 根錨桿，節(jié)約時(shí)間621.6 min。去除兩幫底角錨桿，每100 m 累計(jì)少支護(hù)222根，節(jié)約時(shí)間923.4 min。采用新方案后月平均進(jìn)尺321 m，原5119 回風(fēng)巷平均月掘進(jìn)尺201 m。現(xiàn)場(chǎng)測(cè)驗(yàn)表明新設(shè)計(jì)方案能夠解決塔山礦頂煤節(jié)理發(fā)育、頂板下沉量大等問(wèn)題，提高巷道掘進(jìn)支護(hù)效率。

表2 優(yōu)化方案與原方案支護(hù)時(shí)間分析

5 結(jié)論

（1）原支護(hù)方案頂板位移量為57 mm，兩幫的位移量為72 mm，頂板變形速率要快于兩幫，兩幫先于頂板達(dá)到穩(wěn)定；離層量為18～31.6 mm，頂板支護(hù)強(qiáng)度不夠，離層量大。

（2）數(shù)值模擬表明原支護(hù)方案掘進(jìn)速度慢、頂板支護(hù)強(qiáng)度不夠的主要原因是巷道斷面大，頂板中部錨索布置方式不合理，頂板錨桿支護(hù)密度較大。

（3）新方案月平均進(jìn)尺321 m，每掘進(jìn)100 m節(jié)約時(shí)長(zhǎng)2 477.4 min，不僅能夠達(dá)到支護(hù)強(qiáng)度還可降低頂板離層量，提高圍巖整體性，達(dá)到良好支護(hù)效果。