东峰煤矿大断面全煤巷道围岩控制研究

赵 云

（山西兰花集团东峰煤矿有限公司，山西 晋城 048000）

0 引言

随着我国煤炭开采技术与装备的发展，采煤工作面高度不断加大，工作面配备的采煤机、刮板输送机以及液压支架运输尺寸增大的同时，工作面煤炭产量也在不断升高，工作面皮带尺寸加大，工作面需风量增大[1]。这就对巷道的断面提出了新的要求，必须在巷道宽度与高度方面有一定的拓展[2]。在巷道跨度增加之后，围岩应力增大，围岩失稳破坏，严重影响巷道安全使用。众多学者针对这一问题，进行了广泛的研究。学者王成[3]针对成庄矿5312工作面大断面回风巷受工作面动压扰动失稳问题，利用数值模拟与理论分析的方法，对大断面巷道围岩的失稳破坏与巷道围岩运移非对称性机理进行了分析，并提出了新的锚索网联合支护方案，缩短了锚杆、锚索间排距，增加了锚索的长度。改进支护方案在该巷道进行应用之后，巷道围岩得到了良好的控制，保障了巷道的安全高效应用。学者李雪佳[4]基于上湾矿12105大采高工作面大断面回风顺槽支护的工程实际，采用FLAC3D数值模拟软件对大断面巷道跨度影响进行了研究，结合理论分析提出了新的合理的支护方案，并得到现场应用，取得成功。但现有研究主要集中于理论与数值模拟部分，不能够产生普适结论，在解决具体矿井问题时，还必须针对具体生产实际进行研究。

本文依托东峰煤矿生产实际，实地调研巷道地质与巷道断面该矿。理论分析巷道跨度与巷道煤层强度对巷道围岩稳定性的影响，并对锚杆、锚索的设计参数进行设计，并进行了现场应用。并通过现场钻孔窥视与巷道表面位移监测，对支护形式进行效果判定。

1 工程概况

1.1 地质条件

东峰煤矿3#煤厚平均厚度5.93m，局部有1～2层块状夹矸。该工作面煤层为近水平、厚煤层、稳定煤层，倾角为1°～7°，煤层构造整体为单斜构造，断层与陷落柱零星分布，煤层地质与水文地质条件简单。该煤层最大埋深为391m，最小埋深为248m。煤层顶底板情况，见表1。

表1 煤层顶底板情况表

1.2 巷道概况

3201轨道顺槽沿3号煤层底板掘进，为有效保障综采放顶煤工作面支架以及可伸缩皮带运输机的顺利安装，设计该巷道为矩形断面，净宽为5.0m，净高3.3m，断面积16.5m2；掘进宽度5.2m，掘进高度3.4m，掘进断面积17.68m2，为全煤巷道。

2 大断面全煤巷道失稳理论分析

2.1 巷道跨度影响

开挖巷道之后，破坏了巷道周围围岩的地应力原有分布，引起地应力的再分布。当巷道埋深较小，水平应力不明显，这时巷道收到水平应力有限，巷道顶板受到明显拉破坏作用，巷道顶板极易形成散体垮落拱结构，如图1所示。顶板破坏高度计算见式（1）、式（2）、式（3）、式（4）。

图1 拱线与巷道力学模型

通过式（1）和式（2）可以看出，跨落拱随巷道跨度增大而升高，故顶板需要的支护强度增大。

2.2 巷道围岩强度影响

由于3#煤层厚度较大，导致巷道顶板以及两帮围岩全部为煤层，由于煤层强度较弱，在巷道开掘后引起巷道周围应力重新分布后以及工作面回采时的采动应力影响。煤层失稳破坏后，残余应力过小，难以形成稳定的承载结构，巷道顶板中部与巷道两角等应力集中部位，极易发生拉破坏与剪破坏，对巷道稳定产生严重的影响。

3 巷道支护方案提出

为有效减小巷道跨度加大后带来的影响，结合相邻矿井3#煤层巷道支护设计时，巷道间排距过大，导致支护失效的失败经验。必须适当减少巷道支护时锚杆的间排距，同时应当将锚杆与锚索锚固段固定于稳定岩层中，防止锚杆与锚索失效。初步设计巷道支护参数为：顶部每排采用六根高强锚杆支护，两根锚索补强。锚杆型号Φ20～2200mm，间距900mm，排距1000mm，两顶角锚杆与巷道轮廓成10°～30°角，中间四根与巷道顶板垂直，每根锚杆使用2支锚固剂，先安装一支K2335型锚固剂，再安装一支Z2360型锚固剂，锚杆预紧力矩不小于100N·m，锚固力不小于 100kN。锚索型号 Φ17.8～8400mm，间距2200mm，排距2000mm，距两帮1400mm，每根采用三支锚固剂，先安装一支K2335型锚固剂，再安装两支Z2360型锚固剂，预紧力为120kN；巷道两帮采用五根普通锚杆进行支护，锚杆型号Φ16-1800mm，间距750mm，排距1000mm。两上帮锚杆与巷道水平成10～15°角，两下帮锚杆与巷道水平成-10°角，每根锚杆使用一支Z2360型锚固剂，锚杆预紧力矩不小于100N·m，锚固力不小于100kN。巷道具体支护形式见图2。

图2 3201工作面轨道顺槽支护方案

4 巷道支护效果监测

为检测巷道支护效果，在3201工作面轨道顺槽掘进完成后，进行了钻孔窥视，对巷道围岩状况进行了观测，见图3。在3201工作面回采期间，对工作面前方巷道表面位移进行了监测见图4。

图3 3201工作面轨道顺槽顶板窥视

在图3中，可以看出，巷道表面0～2m范围之内，围岩整体性较好，可见锚杆锚索与围岩形成了一定的稳定的支撑结构，保障了巷道的安全高效使用。

由图4（a）巷道顶底板相对移近量图，可以看出，轨道顺槽顶底板最大移近量为128.5mm；由图4（b）巷道两帮移近量可以看出，巷道轨道顺槽两帮移近量最大为31.7mm。巷道变形量均在巷道安全使用范围之内，由此可见，该种支护方式对东峰矿3201工作面轨道顺槽大断面巷道围岩稳定性起到了控制作用。

5 结 论

大断面巷道以其高效率与高通风量受到煤矿的欢迎。在大断面全煤巷道掘进后，由于受到原岩应力集中与采动扰动影响，其大跨度与围岩强度较弱的原因，增加了巷道围岩失稳的可能性。在适当减少巷道锚杆、锚索间排距并增加长度后，设计了巷道支护方案，在现场应用后，巷道表面0～2m围岩稳定，在工作面回采时巷道顶底板最大移近量128.5mm，两帮最大移近量31.7mm满足巷道安全使用要求，巷道支护方案起到了作用。