麻家梁矿大断面煤巷支护设计与应用

李　皓　李思超

(1.同煤集团浙能麻家梁煤矿有限责任公司；2.中国矿业大学矿业工程学院)



麻家梁矿大断面煤巷支护设计与应用

李皓1李思超2

(1.同煤集团浙能麻家梁煤矿有限责任公司；2.中国矿业大学矿业工程学院)

摘要针对麻家梁煤矿大断面煤层巷道支护存在的问题，采用动态系统设计方法，依据地应力测试、煤岩体力学性质试验和数值模拟结果，确定了14201辅运顺槽锚杆支护参数，并及时监测矿压数据进行参数优化。实践结果表明：将动态系统设计方法应用于现场实践，巷道维护效果较好，经济技术效益显著，可为类似条件下的锚杆支护设计提供参考。

关键词大断面煤巷锚杆支护动态系统设计数值模拟

对于特厚煤层，随着开采强度的不断增加，回采工作面的推进速度、生产强度急剧增大，要求使用更大型的采掘设备，以及为满足通风、运输等安全生产的需要，煤层中布置的回采巷道的断面面积也逐渐增大。由于煤体强度低、巷道顶板和两帮节理发育，加之受工作面采动的影响，围岩变形严重、支护体系时常发生破断、撕裂等现象，大断面煤巷支护难度大[1-3]。本研究针对麻家梁煤矿回采巷道的实际情况，对特厚煤层中大断面巷道的支护设计进行探讨。

1生产地质条件

麻家梁煤矿基本构造形态为一向W倾斜且略有起伏的单斜构造，地层倾角平缓(约5°)。现主采4#煤层，煤层厚度3.50～11.00m，平均8.28m，可采系数100%，煤层层位稳定，属全区可采的稳定煤层。该煤层结构较复杂，含0～9层夹矸，夹矸岩性主要为泥岩、砂质泥岩、炭质泥岩，含有少量高岭质泥岩和粉砂岩，夹矸厚度变化较大，层位不稳定，一般在0.5m以下。煤层顶板主要为泥岩及砂岩，底板主要为泥岩和高岭质泥岩。本研究以14201辅运顺槽为研究对象，14201工作面位于14101工作面西部，665m水平大巷南侧，为二采区首采工作面，其东部为五采区辅运大巷(图1)。14201辅运顺槽均沿煤层底板布置，巷道断面为矩形，断面规格5 500mm×3 600mm，为大断面煤巷。

李皓(1986—)，男，助理工程师，036000 山西省朔州市。

图1　采掘工程布置

2大断面煤巷围岩变形破坏原因

(1)围岩条件复杂。在特厚煤层开采条件下，煤巷顶底板浅部围岩主要为力学性质较差的泥岩、煤体或强度较低的砂岩，但巷道顶底板深部围岩多为稳定的砂岩，力学性质较强，二者强度差别较大，在岩层间易产生薄软环节造成离层[4-5]。巷道两帮围岩为强度较低的内体，易在动压影响下发生破坏。

(2)巷道断面增大。大断面巷道顶板易出现拉破坏，围岩变形速度大，顶板易离层、沿弱面塑性剪切滑移破坏，同时巷道底板在回采过程中易出现底鼓。

(3)应力条件复杂。在服务年限内，回采巷道掘进期间受原岩应力的影响，回采期间受相邻工作面开采引起的侧向支承应力和本工作面开采形成的工作面前方超前支承压力的影响，围岩应力为原岩应力的2～3倍。

3锚杆支护设计

3.1设计思路

在锚杆支护设计中，采用动态系统设计方法确定锚杆支护参数，动态系统设计方法主要包括6个基本部分[6]：①地应力测试，测试巷道围岩应力状态；②煤岩体力学性能测试，确定煤岩体的力学参数；③初始设计，采用数值模拟结合工程类比法和理论计算法研究支护参数变化对巷道围岩稳定性的影响，初步确定合理的锚杆支护参数；④现场施工，按初始设计方案进行施工，保证施工质量；⑤现场监测，在现场设置监测站点监测围岩情况；⑥设计完善，根据现场监测结果修改初始设计并应用于指导实践。

3.2锚杆支护参数确定

以14201辅运顺槽生产地质条件为基础建立数值计算模型，以地应力测试结果确定模型边界条件，以实验室岩石力学试验结果为依据确定数值模拟参数，根据现有的支护材料模拟研究不同支护方案下巷道围岩的变形情况，从而确定合理的支护参数。根据地应力测试结果，在模型上边界施加12.76MPa自重应力，该应力可视为均布载荷；水平方向施加14.85MPa水平应力，模型底边界垂直方向固定，左右边界水平方向固定位移和速度。麻家梁煤矿岩体的物理力学参数实验室测试结果见表1。

表1　岩层物理力学参数

针对14201辅运顺槽的具体条件，本研究提出了5种巷道支护方案，各方案参数见表2。巷道顶部和两帮锚杆规格为φ22mm、长2 400mm、BHRB500的高强让压锚杆；顶锚索规格为φ21.8mm、长9 000mm的19股钢绞线锚索，帮锚索规格为φ21.8mm、长4 000mm的19股钢绞线锚索。

巷道在掘巷期间，不同锚杆支护参数下巷道围岩的整体变形量较小，巷道围岩变形主要发生在工作面回采期间(图2)。由图2可知：回采期间不同锚杆支护参数下巷道围岩的变形量有所不同，将方案3与方案1对比可知，巷道顶底板移近量和两帮移近量明显减小，顶底板移近量从940mm降至500mm，两帮移近量从660mm降至280mm；方案4与方案3相比，巷道顶底板及两帮移近量变化幅度较小，基本无变化。

表2　巷道支护方案参数比较

图2　回采期间不同支护方案巷道位移变化曲线

结合上述分析，并顾及围岩锚固体的承载能力和经济效益，本研究确定回采阶段的锚杆支护方案为方案4，据此确定了14201辅运顺槽巷道支护断面参数，见图3。

图3　14201辅运顺槽锚杆锚索支护断面(单位：mm)

3.3支护材料及参数

(1)材质、直径和长度。顶部和两帮锚杆采用φ22mm、长2 400mm、BHRB500的高强让压锚杆，尾部配套使用蝶形钢托盘(规格150mm×150mm×10mm)、半球形调心垫圈、高强螺母。顶板W钢带规格5 200mm×280mm×3mm，帮部W钢带规格300mm×300mm×3.75mm。顶板锚索规格为φ21.8mm、长9 000mm的19股钢绞线锚索，帮锚索规格为φ21.8mm、长4 000mm的19股钢绞线锚索，锚索尾部配套使用规格为300mm×300mm×16mm的碟形钢托盘、半球形高强度可调心垫圈及锁具。

(2)间排距。顶板、两帮锚杆间排距为900mm×900mm；顶板锚索间排距为2 700mm×2 700mm，帮锚索间排距为1 800mm×2 700mm。

(3)锚固剂及锚固长度。顶板和两帮螺纹钢锚杆各采用1支树脂药卷MSCK2360、MSK2360。锚索锚固剂采用树脂药卷，凝结速度为超快速、快速；顶板锚索采用树脂药卷为快速1支MSCK2360、2支MSK2360；帮锚索采用树脂药卷为1支快速MSCK2360、2支MSK2360。

3.4现场观测

14201工作面回采过程中，在14201辅运顺槽中设置了巷道表面位移监测站，监测巷道在工作面后方围岩的变形情况，观测结果见图4。由图4可知：在工作面后方20m处巷道顶底板及两帮移近量明显增加，随着工作面继续向前推进巷道位移逐渐增加，在工作面后方80m处巷道顶底板及两帮的相对移近量开始趋于稳定，当工作面推进至150m处，巷道位移基本不再增加，可见巷道维护效果良好。

4结语

大断面煤巷巷道围岩煤体强度低、节理发育、顶板易产生离层，加之巷道受到临近工作面及本工作面采动的影响，其所处的应力环境复杂，使得大断面煤巷支护困难，支护成本较高。为此，以麻家梁煤矿14201辅运顺槽为例，确定了合理的锚杆支护参数，成效显著，对于类似矿山支护设计有一定的参考价值。

图4　回采期间巷道表面位移监测曲线

参考文献

[1]侯朝炯，郭励生，勾攀峰.煤巷锚杆支护[M].徐州：中国矿业大学出版社1999.

[2]康红普.煤巷锚杆支护理论与成套技术[M].北京：煤炭工业出版社，2007.

[3]陈炎光.中国煤矿巷道围岩控制[M].徐州：中国矿业大学出版社，1994.

[4]刘锦荣，康庆涛.大断面软煤层大巷围岩控制优化设计[J].采矿与安全工程学报，2013，30(6)：836-840.

[5]常江阳，张东峰.坚硬顶板大断面巷道的破坏机理及合理支护研究[J].煤炭技术，2014，33(7)：109-112.

[6]孙长春.小纪汗煤矿首采工作面锚杆支护设计与应用[J].煤炭与化工，2014，37(1)：93-96.

(收稿日期2015-11-05)