特厚煤層大斷面強烈動壓巷道支護技術

崔建兵

(山西西山晉興能源有限責任公司， 山西 興縣 033602)

斜溝煤礦23105皮帶巷沿13#煤層底板掘進，煤層平均厚度14.5 m，斷面面積達20.9 m2，與23103工作面采空區(qū)相鄰。其同類型巷道23101材料巷同樣臨近23103采空區(qū)，由于原巷道掘進時兩幫采用d20 mm×2 100 mm全螺紋玻璃鋼纖維錨桿支護，初始支護強度不足，其次該巷道距23103采空區(qū)凈煤柱寬度僅12 m，回采過程中，臨近采空區(qū)頂板的再次活動同本工作面回采超前壓力相互疊加，動壓顯現(xiàn)，在回采期間出現(xiàn)大量的螺紋鋼錨桿、玻璃鋼錨桿和錨索破斷現(xiàn)象，巷道兩幫位移量達到1.5 m以上。預測23105工作面回采過程中會對原本已經相對穩(wěn)定的巖層產生二次擾動，為避免23105皮帶巷出現(xiàn)同類問題，對巷道兩幫進行支護。

1 工程地質條件及圍巖測試分析

斜溝煤礦23105工作面臨近23103采空區(qū)，凈煤柱寬度為20 m；13#煤層厚度平均為14.5 m；基本頂為粉砂巖，平均厚度為4.0 m；直接頂為泥巖，平均厚度為5.0 m. 巷道沿底板掘進，頂板10 m范圍強度測試結果見圖1，煤幫10 m范圍強度測試結果見圖2.

圖2 幫部煤體強度測試結果圖

1) 由圖1可知，頂板10 m范圍內煤層強度上下波動，頂煤強度最大為31.84 MPa，最低強度僅為9.58 MPa，平均強度為23.20 MPa，硬度普氏系數(shù)為2.3，孔口2.5 m范圍內裂隙發(fā)育程度較高，因此相對應的煤層強度也低，可見圍巖節(jié)理裂隙對于圍巖的強度具有顯著的影響，除孔口位置煤層強度低外，深部煤體的強度偏高。

2) 由圖2可知，煤層強度最低為11.86 MPa，最大為24.9 MPa，平均強度為17.7 MPa，幫部煤體的強度整體低于頂板煤體的強度，但是通過煤層強度可以看出，煤層的均一性較好，強度波動幅度小，較為穩(wěn)定。

2 特厚煤層大斷面強烈動壓巷道穩(wěn)定性分析

2.1 巷道變形機理分析

特厚煤層采高大，工作面后方頂板隨著回采工作面向前推進逐步垮落，采空區(qū)頂板的垮落會引起更大范圍頂板的活動，礦壓顯現(xiàn)劇烈。采空區(qū)頂板的垮落不僅會引起頂板垂直方向的移動，同時會引起水平方向移動，且沿采空區(qū)側向煤柱上高復合應力集中，使得煤柱和實體煤上方往往賦存著較大的動態(tài)支承壓力，掘進巷道時，會引起采空區(qū)的二次擾動，見圖3. 而對于特厚煤層沿底掘進巷道，巷道位于賦存高應力的煤層，同時由于巷道的跨度達到5.5 m，高度達到3.8 m，巷道的跨度加大，使得巷道周圍的破碎區(qū)擴大，表現(xiàn)為裂隙擴展、散體滑動和節(jié)理錯動等。頂板發(fā)生屈曲破壞的臨界應力越小，頂板就越易失穩(wěn)，同時由于水平應力集中容易引起巷道兩幫水平移動，擠壓頂板折斷和底板鼓起。

圖3 沿空掘巷應力分布狀態(tài)圖

2.2 強烈動壓巷道圍巖應力分析

為了分析23103采空區(qū)殘余支承壓力對23105皮帶巷的影響，采用離散元數(shù)值計算軟件UDEC，模擬計算了23103工作面采空后及23105皮帶巷掘進期間圍巖的應力變化及分布特征，模型尺寸為3 200 mm×1 200 mm. 23105皮帶巷沿23103采空區(qū)掘進后煤柱上形成的支承壓力集中及圍巖屈服狀況見圖4，圖5.

圖4 支承壓力分布圖

圖5 圍巖屈服狀態(tài)圖

1) 工作面回采后，采空區(qū)上覆巖層結構處于動態(tài)變化過程，同時特厚煤層綜放工作面頂板巖層垮落高度大，巖層活動更為劇烈，導致煤柱中賦存著很大的動態(tài)支承壓力，采空區(qū)穩(wěn)定需要經歷很長時間，當臨近巷道掘送及受回采影響時，對上覆巖層進行再次擾動，壓力顯現(xiàn)尤為劇烈。

2) 23105皮帶巷掘進后，靠近采空區(qū)側煤體中支承壓力峰值為21.38 MPa，應力集中系數(shù)為2.5，支承壓力峰值距離巷幫2.8 m，該應力集中程度較23103工作面回采形成的支承壓力峰值提高20.8%；實體煤側支承壓力峰值為21.25 MPa，應力集中系數(shù)為2.5，支承壓力峰值距離巷幫距離為2.3 m，支承壓力峰值略低于煤柱側。

3 巷道支護設計

根據(jù)上述理論數(shù)值分析，以23105工作面地質資料、13#煤現(xiàn)有工作面巷道支護狀況、地質力學測試成果、理論分析及數(shù)值計算分析結果作為支護形式與參數(shù)確定的依據(jù)，將23105皮帶巷掘進斷面形狀設計為矩形，斷面寬度5 500 mm，高度3 800 mm，掘進斷面積20.9 m2. 巷道沿13#煤層底板掘進，采用高預應力強力樹脂錨固錨桿錨索組合支護系統(tǒng)進行巷道支護，補償圍巖側向應力損失，阻止圍巖內部節(jié)理、裂紋的擴展。強化幫部支護，降低起錨高度，有效的減少由于應力集中而引起的巷道底鼓問題，見圖6.

4 井下監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

在巷道掘進期間，對巷道的變形量進行了監(jiān)測，

圖6 23105皮帶巷支護設計方案圖

巷道表面位移曲線見圖7. 由圖7可以看出，23015皮帶巷作為強烈動壓巷道，掘進期間巷道的整體變形量小。

圖7 巷道表面位移觀測曲線圖

5 結 論

1) 特厚煤層綜放工作面回采后礦壓顯現(xiàn)劇烈，在煤柱容易形成高垂直應力和水平應力集中，容易導致煤柱發(fā)生屈服破壞，須采取強力支護阻止圍巖的裂隙擴展，防止圍巖變形進一步惡化。

2) 針對特厚煤層大斷面強烈動壓巷道支護，采用高預緊力錨桿錨索協(xié)調支護，同時加強巷道礦壓監(jiān)測，分析支護參數(shù)的合理性和可靠性。

3) 高預應力強力頂幫耦合支護能夠有效控制特厚煤層大斷面強烈動壓巷道變形，強化施工質量，取得了良好的效果。

4) 特厚煤層大斷面強烈動壓巷道，兩幫支護應取消錨桿桿體抗剪、抗扭能力差的玻璃鋼錨桿，采用高預緊力錨桿錨索協(xié)調支護，補償圍巖側向應力損失，阻止圍巖內部節(jié)理、裂紋的擴展。強化幫部支護，降低起錨高度，有效的減少由于應力集中而引起的巷道底鼓問題。同時加強巷道礦壓監(jiān)測，準確分析支護參數(shù)的合理性和可靠性。