深部开采下18106 孤岛工作面支护优化

亢鹏飞

（山西西山晋兴能源有限公司斜沟煤矿，山西 吕梁 033000）

0 引言

深部开采厚煤层造成的支护问题，会制约煤炭资源高效利用，且带来严重的支护问题，对行人、运输都造成极大安全困扰，故深部厚煤层巷道支护问题一直是研究热点与工程前沿[1-4]。国内诸多学者对支护问题做出了研究，罗豪等对深部开采下巷道围岩加固问题研究得出，使用多种技术手段联合支护会对深部围岩具有更好地改善作用[5]。

1 工程概况

斜沟煤矿矿位于吕梁矿区，主采主采8# 煤和13#煤层，煤厚4.3～8.3 m，埋深450 m，18106 工作面属典型孤岛工作面，主采8#煤，平均厚度5.80 m。东侧为18106 回采工作面及采空区（煤柱宽度20 m），西侧为18104 采空区（煤柱宽度20 m），南侧为实煤区，顶板为典型坚硬顶板，主要构成为粗粒砂岩与中粒砂岩，平均厚度13.56 m，岩石节理不发育，斜沟煤矿18106 工作面顶底板及煤层取样测试后，力学性能测试如表1 所示：

表1 岩石力学参数表

2 支护优化方案

原支护方案为18106 巷道均锚杆采用Φ20 mm×2 200 mm 的右旋无纵筋螺纹钢锚杆，顶板间排距1 000 mm×1 000 mm，两帮间排距1 000 mm×1000 mm，预紧力矩200 N·m，但原支护方案满足其余正常交替开采巷道已暴露出支护不足的弊端，18106 工作面巷道因属于孤岛工作面巷道，故亟需优化。

2.1 理论计算

组合梁理论认为锚杆的作用时提供轴向和切向约束，阻止岩层产生离层和相对滑动，上受均布载荷q 的作用，设q=0.1 MPa，锚杆参数计算方法如下：

2.1.1 锚杆长度

锚杆长度仍由式（1）确定，L1、L3分别为锚杆外露长度和锚固长度。锚杆有效长度为L2。

固定端梁跨中点拉应力为：

式中：B 为巷道跨度，m。

设岩石抗拉强度为σt，则顶板稳定满足：K1σ≤σt，即式（2）所示：

式中：K1为安全系数，取2.5；σt为岩石抗拉强度，取0.54 MPa。

锚杆有效长度表达式（3）为：

当岩层数为1、2、3 时，η 分别等于1、0.75、0.7，取η=1。

根据计算，L2=2.10m，锚杆的长度L≥L1+L2+L3=0.1+2.10+0.3=2.50 m。

2.1.2 锚杆的排距

锚杆间排距相等，用a 表示，如式（4）所示：

式中：d 为锚杆杆体直径，设为20 mm；τ 为锚杆杆体材料抗剪强度，查询得469 MPa；K2为顶板安全系数，取3。

根据计算，有a≤0.771 m，锚杆间排距为0.8 m。

2.2 数值模拟计算

根据斜沟煤矿生产条件，建立FLAC 模型，如图1所示。

图1 数值模拟模型建立

支护优化后运算模型结果，如图2、图3 所示。

图2 18106 工作面回采后巷道应力云图

图3 18106 工作面回采后巷道位移云图

18106 工作面回采后巷道最大水平应力为8.2 MPa，最大垂直应力12.8 MPa，最大水平位移为381 mm，最大垂直位移524 mm，两帮和顶底移近量分别为737 mm 和810 mm，能够满足回采要求。

3 围岩控制效果分析

为了掌握斜沟煤矿18106 巷道掘进期间矿压显现规律，根据现场实际情况在18106 巷道设立测站进行矿压数据收集。

3.1 矿压监测内容

矿压监测的主要内容包括，如表2 所示。

表2 监测内容、目的及手段

3.2 表面位移观测结果

在距离掘进头5m 处的断面进行顶板及两帮位移的监测，测量测点分布图，如图4 所示。

图4 巷道表面位移观测（单位：mm）

绘制巷道顶板及两帮变形曲线图，如图5～图8所示。

图5 顶板变形量曲线图

图6 顶板变形速度曲线图

图7 两帮变形量曲线图

图8 两帮变形速度曲线图

由图可知，顶底板累积移近量为96 mm，两帮累积移近量为165 mm；顶底板最大移近速率为24 mm/d，两帮最大移近速率35 mm/d，均出现在测站布设后第3 d 后期围岩移近速率较小；巷道围岩移近量整体不大，支护合理有效。

3.3 锚杆索受力观测结果

距离工作面推进位置200m 处安装示意图如图9所示。

图9 锚杆（索）测站布置图

根据采集数据绘制锚杆（索）受力曲线，如图10和图11 所示。

图10 锚杆受力曲线图

图11 锚索曲线图

由图可知，顶板锚杆最大受力为95.7 kN，两帮锚杆最大受力为22.3 kN，锚索最大受力138 kN；测力计（液压枕）安装后前3 d 变化明显，之后逐渐趋于稳定；满足正常需求。

4 结论

1）通过组合梁理论求得18106 工作面巷道锚杆长度2.5 m，间排距0.8 m。

2）使用FLAC 软件对18106 工作面回采后巷道进行模拟研究，最大水平应力为8.2 MPa，最大垂直应力12.8 MPa，最大水平位移为381 mm，最大垂直位移524 mm，两帮和顶底移近量分别为737 mm 和810 mm，能够满足回采要求。

3）工程试验表明斜沟煤矿优化支护后将锚杆长度调整为2.5 m，支护间排距改为800 mm×800 mm可以满足日常需求。