大同礦區(qū)特厚煤層巷道支護(hù)技術(shù)研究

侯 程

(北京科技大學(xué)土木與資源工程學(xué)院，北京市海淀區(qū)，100083)

同煤集團(tuán)為我國(guó)特大型煤炭企業(yè)，現(xiàn)階段煤炭開(kāi)采逐漸由侏羅紀(jì)煤層轉(zhuǎn)入石炭二疊紀(jì)煤層，煤層開(kāi)采厚度大。以同忻礦為例，煤層厚度平均在15～17 m以上，火成巖侵入3-5#煤層上部6 m左右。目前巷道支護(hù)主要采用錨桿支護(hù)，作為一種主動(dòng)支護(hù)形式，能有效提高圍巖強(qiáng)度及其承載能力，但煤巷錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)方法主要采用工程類比法和經(jīng)驗(yàn)法，設(shè)計(jì)者的主觀隨意性對(duì)設(shè)計(jì)方案影響很大，在實(shí)際應(yīng)用中均暴露出一定的缺點(diǎn)和局限性，所以有必要對(duì)煤巷錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)進(jìn)行研究分析，并對(duì)支護(hù)效果進(jìn)行監(jiān)測(cè)，得出較好的支護(hù)效果和合理的支護(hù)方案。

1 工程地質(zhì)概況

同忻礦8106工作面地表位于辛莊村西北方向，切眼往外120 m處對(duì)應(yīng)地面有煤峪口礦西一風(fēng)井(已廢棄)，地面標(biāo)高為1205.3～1303.5 m。上覆為煤峪口礦侏羅系9#、11#、14#煤層采空區(qū)。

工作面為一進(jìn)二回三巷布置，3條巷道相互平行且與盤區(qū)3條大巷呈88°，其中2106巷、5106巷沿3-5#煤層底板布置，8106頂回風(fēng)巷沿3-5#煤層頂板穩(wěn)定巖層開(kāi)掘，煤層厚度為12.14～23.43 m，平均7.63 m，純煤厚6.65 m，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，含夾矸3層，巖性為泥巖、砂質(zhì)泥巖或高嶺巖，平均厚度約1 m。煤層厚度3～5 m，煤層傾角1°～4°，平均傾角2°，屬近水平煤層。煤巖類型半暗型，煤種為長(zhǎng)焰煤。巖墻揭露處使煤變質(zhì)，燒變范圍預(yù)計(jì)約0.3～1 m。

2 高強(qiáng)度錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)

2.1 初始設(shè)計(jì)支護(hù)參數(shù)確定

巷道圍巖的破壞范圍、垂直應(yīng)力、水平應(yīng)力分布相差很小，頂板的破壞范圍主要是頂煤，頂板砂巖內(nèi)水平應(yīng)力較大，垂直應(yīng)力相對(duì)較小。同時(shí)考慮到地應(yīng)力的作用下，頂煤松軟時(shí)，為保證支護(hù)強(qiáng)度，有效遏制頂煤破壞，不宜將錨桿排距設(shè)計(jì)過(guò)大。

此外，通過(guò)類似工作面的工程地質(zhì)和生產(chǎn)條件調(diào)查，發(fā)現(xiàn)采用塑料網(wǎng)+鋼帶支護(hù)效果欠佳、巷幫支護(hù)構(gòu)件效果欠佳、錨索托板傳遞應(yīng)力效果欠佳。因此，綜合巷道支護(hù)經(jīng)驗(yàn)及以上問(wèn)題后確定了巷道支護(hù)方案如下：

錨桿：頂錨桿采用?20 mm×2400 mm左旋無(wú)縱肋螺紋鋼錨桿，配套使用鋼帶、碟形墊(130 mm×130 mm×10mm)、球形帽、塑料摩擦墊和加厚螺母；聯(lián)絡(luò)巷幫錨桿采用?18 mm×2000 mm左旋無(wú)縱肋螺紋鋼錨桿，配套使用鋼托板(250 mm×250 mm×10 mm)、碟形墊(110 mm×110 mm×10 mm)、球形帽、塑料摩擦墊和加厚螺母；右?guī)筒捎?18 mm×2000 mm左旋無(wú)縱肋螺紋鋼錨桿，配套使用W型鋼帶護(hù)板(450 mm×220 mm×4 mm)、碟形墊(110 mm×110 mm×10 mm)、球形帽、塑料摩擦墊和加厚螺母；左幫采用?20 mm×2000 mm玻璃鋼錨桿。

錨索：采用?21.8 mm×8000 mm鋼絞線，頂錨索配套250 mm×250 mm×16 mm鋼托板、KM22型錨具，角錨索配套800 mm長(zhǎng)的11#礦用工字鋼、KM22型錨具；

金屬網(wǎng)：頂和幫金屬網(wǎng)采用?4 mm鉛絲，網(wǎng)孔規(guī)格為100 mm×100 mm，頂金屬網(wǎng)尺寸為7.5 m×1.2 m，幫部金屬網(wǎng)尺寸為3 m×4 m。

錨固劑：選用MSK2360型樹(shù)脂藥卷，每根錨桿裝1支藥卷，錨固長(zhǎng)度600 mm；每根錨索裝2支藥卷，錨固長(zhǎng)度1200 mm。

巷道交岔點(diǎn)部分頂板均補(bǔ)打錨索，錨索均采用?21.8 mm×10000 mm鋼絞線；錨固劑選用MSK2360型樹(shù)脂藥卷，每根錨索裝2支藥卷，錨固長(zhǎng)度1200 mm；托板均選用250 mm×250 mm×16 mm鋼托板；錨具均選用KM22型錨具。

支護(hù)參數(shù)及要求如下：

頂錨桿：聯(lián)絡(luò)巷每排6根、工作面平巷每排7根，間排距900 mm×800 mm。錨桿與頂板巖壁的夾角不低于75°，靠?jī)杉缃清^桿施工角度為80°且向煤幫的方向，錨桿外露長(zhǎng)度10～40 mm，間排距誤差為±100 mm，碟形墊壓鋼帶將其緊貼壁面利用螺母緊固，錨桿錨固力不得小于85 kN/架，預(yù)緊力不得小于200 N·m。

幫錨桿：一側(cè)每排4根，間排距900 mm×900 mm，緊靠頂板處的幫錨桿距頂板150 mm，與巷幫夾角為80°向上施工，錨桿外露長(zhǎng)度10～40 mm，間排距誤差為±100 mm，托板緊貼壁面，螺母緊固，不松動(dòng)，錨固力不得小于85 kN/架，預(yù)緊力不小于200 N·m。玻璃鋼錨桿錨固力不得小于60 kN/架，預(yù)緊力不小于40 N·m。

金屬網(wǎng)：在巷道頂角處幫網(wǎng)與頂網(wǎng)不得搭接，必須鋪設(shè)整體網(wǎng)，網(wǎng)鋪平鋪展，緊貼頂幫，搭接合理。網(wǎng)與網(wǎng)之間的搭接長(zhǎng)度為200 mm，用14#鉛絲雙股連接，聯(lián)網(wǎng)間距不大于200 mm，綁扎牢固，扭結(jié)不少于3圈。

2.2 數(shù)值模擬結(jié)果分析

通過(guò)FLAC模擬軟件計(jì)算得出8106工作面巷道支護(hù)前和支護(hù)后的圍巖水平應(yīng)力、垂直應(yīng)力和塑性區(qū)分布云圖分別如圖1、圖2和圖3所示。

圖1 水平應(yīng)力云圖

由圖1、圖2和圖3可以看出，巷道頂?shù)装鍑鷰r主要受水平應(yīng)力作用，巷道兩幫圍巖主要受垂直應(yīng)力作用。按照設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行支護(hù)以后，巷道圍巖應(yīng)力集中區(qū)域得到有效控制。在平巷支護(hù)前，巷道頂板與水平應(yīng)力集中區(qū)相距約1.6 m，巷道兩幫與垂直應(yīng)力集中區(qū)距離約1.8 m；平巷完成支護(hù)后，兩幫垂直應(yīng)力集中區(qū)變?yōu)?.2 m，頂板水平應(yīng)力集中區(qū)減小至0.9 m。因此，支護(hù)后巷道表面圍巖承載能力得到了提高，圍巖應(yīng)力集中區(qū)明顯向巷道表面移近，圍巖應(yīng)力狀態(tài)顯著得到改善。

圖2 垂直應(yīng)力云圖

圖3 塑性區(qū)分布云圖

3 支護(hù)觀測(cè)及分析

依據(jù)8106工作面上下兩條平巷布置的實(shí)際情況，進(jìn)行頂板離層觀測(cè)、頂錨桿受力觀測(cè)、圍巖表面及圍巖深部位移觀測(cè)等。在2106工作面平巷布置了1個(gè)觀測(cè)斷面，平巷試驗(yàn)段布置3個(gè)觀測(cè)斷面。

3.1 錨桿拉拔力檢測(cè)結(jié)果與分析

現(xiàn)場(chǎng)分別抽取8根頂錨桿和幫錨桿，拉拔力試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖4。

由圖4可知，頂板錨桿錨固力均大于設(shè)計(jì)錨固力80 kN，兩幫錨桿錨固力均在60 kN以上，均滿足設(shè)計(jì)要求，錨固效果良好。

3.2 頂板離層觀測(cè)結(jié)果與分析

根據(jù)頂板分層及錨桿長(zhǎng)度情況，指示儀深部基點(diǎn)布置在頂板深部10 m處，淺部基點(diǎn)布置在錨桿的端部2.5 m處，試驗(yàn)數(shù)據(jù)如圖5所示。

圖4 錨桿拉拔力試驗(yàn)結(jié)果

圖5 頂板離層儀觀測(cè)數(shù)據(jù)曲線

由圖5可知，在錨固區(qū)內(nèi)平巷頂板最大離層值約為7 mm，1#觀測(cè)點(diǎn)在40 d范圍附近基本處于穩(wěn)定狀態(tài)，2#觀測(cè)點(diǎn)在50 d范圍附近基本處于穩(wěn)定狀態(tài)，3#觀測(cè)點(diǎn)在45 d范圍附近基本處于穩(wěn)定狀態(tài)；采用端頭錨桿支護(hù)支護(hù)區(qū)頂板外最大離層值為14 mm，1#觀測(cè)點(diǎn)在40 d左右逐漸趨于穩(wěn)定，2#觀測(cè)點(diǎn)在45 d左右逐漸趨于穩(wěn)定，3#觀測(cè)點(diǎn)在50 d左右逐漸趨于穩(wěn)定。說(shuō)明平巷巷道錨固效果顯著，支護(hù)參數(shù)選擇合理，巷道頂板基本處于可控的穩(wěn)定狀態(tài)。

巷道圍巖表面位移觀測(cè)結(jié)果與分析如圖6所示。

圖6 巷道表面位移觀測(cè)數(shù)據(jù)曲線

由圖6可知，平巷頂?shù)装遄畲笠平?5 mm，兩幫最大移近量75 mm，顯示平巷變形有所降低。

巷道圍巖深部位移觀測(cè)結(jié)果與分析如圖7所示。

圖7 幫部多點(diǎn)位移計(jì)觀測(cè)數(shù)據(jù)曲線

由圖7可知，1#觀測(cè)點(diǎn)深度2.1 m，幫部范圍21 d以內(nèi)一直發(fā)生變形，但變形速度逐漸下降，1.2 m范圍內(nèi)的平巷兩幫變化約為19 mm，1.5～2.5 m范圍內(nèi)的幫部形變基本超過(guò)6 mm，2.5 m周圍的幫部變形量最大，達(dá)到27 mm，是整個(gè)幫部變形總和的68%；深度2.5 m以外的巷幫基本沒(méi)有變形，且變形的間隔相對(duì)緩慢。2#觀測(cè)點(diǎn)2.5 m范圍內(nèi)的巷幫也出現(xiàn)明顯的變形，在22 d之后變形量基本趨于穩(wěn)定，其變形量是變形總量的70%，1 m范圍內(nèi)的幫部變形量約為15 mm，1～2 m范圍內(nèi)的幫部變形量為8 mm；2 m范圍外的總變形量為11 mm。整體支護(hù)效果良好，實(shí)際效果如圖8所示。

圖8 巷道實(shí)際支護(hù)效果圖

4 結(jié)論

(1)大同礦區(qū)石炭系煤層厚度大，平巷巷道沿煤層底板掘進(jìn)，煤層巷道圍巖松軟破碎，煤層和巖層的不連續(xù)面容易發(fā)生離層，巷道圍巖破壞范圍大，支護(hù)難度大。

(2)通過(guò)分析地質(zhì)條件確定初始設(shè)計(jì)支護(hù)參數(shù)，經(jīng)數(shù)值模擬后得出的受力影響，并在巷道觀測(cè)中進(jìn)行驗(yàn)證，結(jié)果表明該支護(hù)方案使得圍巖應(yīng)力集中區(qū)向巷道表面移近，圍巖承載能力得到提高。

(3)此次研究過(guò)程及成果有效應(yīng)用于大同礦區(qū)石炭系厚煤層強(qiáng)礦壓顯現(xiàn)條件下的平巷巷道，對(duì)該地區(qū)的煤層支護(hù)提供了重要的技術(shù)依據(jù)。