高懷俊

（山西潞安集團(tuán)潞寧孟家窯煤業(yè)公司，山西 忻州 036000）

1 工程概況

孟家窯礦井11505 工作面位于11 采區(qū)，開(kāi)采5號(hào)煤層。工作面平均埋深400 m，工作面西北為11507 工作面、西部為采空區(qū)、東部為回風(fēng)上山、南部為11503 工作面。11505 工作面煤層構(gòu)造簡(jiǎn)單，平均傾角為24°，屬于大傾角煤層，煤層平均厚度11.5 m。工作面采用放頂煤開(kāi)采，割煤高度3.5 m，采放比1∶2.3。設(shè)計(jì)工作面長(zhǎng)150 m，放煤步距為0.8 m，放煤方式為“一刀一放”，日循環(huán)進(jìn)度2.4 m。采空區(qū)采用完全垮落法管理頂板。11505 綜放面頂板為軟弱、半堅(jiān)硬互層的巖層，巖性變化較大，工程地質(zhì)條件相對(duì)較差；下伏底板硬度同樣較小，多是砂質(zhì)泥巖、粉砂巖互層，巖層穩(wěn)定性較難控制。

11505 綜放面膠帶順槽斷面為矩形，寬度為5.0 m、高度為3.3 m，沿煤層底板掘進(jìn)。在周?chē)V井開(kāi)采工程實(shí)踐中，受煤層厚度大、傾角大、埋深大、煤質(zhì)較軟等影響，相鄰工作面開(kāi)采動(dòng)壓和本工作面擾動(dòng)對(duì)工作面順槽造成不利影響，導(dǎo)致巷道圍巖出現(xiàn)剝落，頂?shù)装逑騼?nèi)變形，巷道完整性無(wú)法得到有利保證。因此，探討大傾角軟厚煤層情況下，工作面順槽的穩(wěn)定性機(jī)理與控制措施，已經(jīng)成為11505 綜放面安全生產(chǎn)亟需解決的問(wèn)題。

2 巷道穩(wěn)定性分析

對(duì)大傾角軟煤巷道頂?shù)装寮皫筒康氖芰η闆r進(jìn)行詳細(xì)分析，見(jiàn)圖1。在大傾角作用下，頂板軸向擠壓力增大，導(dǎo)致其撓度趨勢(shì)增加，由于頂板巖層性質(zhì)多為軟弱巖體，抗變形能力較小，導(dǎo)致煤層頂板極易出現(xiàn)離層現(xiàn)象；在巷道兩幫位置，由于煤體內(nèi)聚力和內(nèi)摩擦角較低，左右兩幫受力情況不同，導(dǎo)致兩幫煤壁均出現(xiàn)內(nèi)生裂隙，嚴(yán)重時(shí)會(huì)出現(xiàn)剪切破壞斷裂成一條裂縫，當(dāng)裂縫發(fā)育范圍大于相對(duì)穩(wěn)定臨界高度時(shí)，巷道整體穩(wěn)定性就會(huì)被破壞，巷道上方及周?chē)簬r體從滑移面處脫落；巷道底部受力情況與頂板相似，地腳位置處出現(xiàn)應(yīng)力集中，同時(shí)受向內(nèi)的擠壓力而導(dǎo)致底板鼓起變形。圖中FR為頂板兩端的支撐力，F(xiàn)N為頂板所受軸力，Me為頂板兩端所受扭矩，q為頂板所受均布載荷，ω為頂板撓度，l、α分別為頂板寬度與傾角，ABCD區(qū)域?yàn)椴环€(wěn)定區(qū)域，CDE為穩(wěn)定區(qū)域，HW為相對(duì)穩(wěn)定臨界高度，q0為幫部滑動(dòng)巖塊所受均布載荷，β為滑動(dòng)面與豎直方向夾角，q1為巖層所受均布載荷，q2為相鄰巖層的阻力載荷，l1為梁的長(zhǎng)度，ω1為底板巖層撓度，α＇為巖層傾角。

從巷道受力整體來(lái)看，大傾角煤巷的條件下，由于傾角較大、煤體較軟，巷道兩幫易形成非對(duì)稱破壞狀態(tài)，頂板與傾斜方向上部位置的巷幫變形最為嚴(yán)重，是巷道控制的關(guān)鍵部位。因此，降低巷道整體的受力和對(duì)巷道整體圍巖進(jìn)行加固是控制大傾角軟厚煤層巷道的有力途徑。本文擬采用留設(shè)保護(hù)煤柱和錨桿索耦合支護(hù)的方式進(jìn)行巷道控制。

圖1 大傾角巷道受力分析

3 圍巖控制技術(shù)

3.1 留設(shè)煤柱

11505 膠帶順槽與11503 回風(fēng)順槽間的工作面保護(hù)煤柱應(yīng)該能夠保證自身完整性，盡量處在應(yīng)力較低區(qū)域內(nèi)，同時(shí)能夠滿足安設(shè)錨桿索的需要，能夠承受多次采動(dòng)影響，還能保證資源采出率。根據(jù)當(dāng)前較流行的煤柱寬度計(jì)算方式，見(jiàn)圖2。其中B為留設(shè)煤柱寬度，x1為采空區(qū)側(cè)塑性區(qū)寬度，x2為巷道側(cè)塑性區(qū)寬度，x3為煤柱核區(qū)寬度。根據(jù)煤柱兩側(cè)塑性區(qū)寬度計(jì)算公式（下式），選取的計(jì)算參數(shù)見(jiàn)表1，計(jì)算后的一側(cè)塑性區(qū)寬度為13.65 m，其中x1=x3，x2=m，通過(guò)計(jì)算，得到留設(shè)煤柱寬度為30.8 m。因此，確定采用留設(shè)煤柱寬度為30 m。

圖2 工作面煤柱留設(shè)寬度

表1 計(jì)算參數(shù)

3.2 支護(hù)設(shè)計(jì)

為有效控制11505 膠帶順槽掘進(jìn)期間的巷道變形，在留設(shè)30 m煤柱的基礎(chǔ)上對(duì)巷道斷面進(jìn)行聯(lián)合支護(hù)，根據(jù)本礦其他工作面的支護(hù)經(jīng)驗(yàn)及本工作面開(kāi)采實(shí)際，確定巷道頂板采用 “錨桿+錨索+金屬網(wǎng)”聯(lián)合支護(hù)，兩幫采用“錨桿+ 金屬網(wǎng)”支護(hù)，11505 膠帶順槽支護(hù)斷面見(jiàn)圖3。

11505 膠帶順槽頂板錨桿使用Φ22 mm×2 400 mm高強(qiáng)度螺紋鋼錨桿，錨固劑型號(hào)為一支規(guī)格K2335，另一支規(guī)格Z2360。其中錨桿鉆孔直徑為30 mm，錨桿間排距為800 mm×1 000 mm，采用金屬網(wǎng)配合規(guī)格為450 mm×280 mm×4 mm的W鋼護(hù)板，同時(shí)采用鋼筋托梁護(hù)頂； 錨桿鋼筋托梁采用Φ14 mm的螺紋鋼焊接而成，托梁寬度為210 mm，長(zhǎng)度為4 500 mm； 網(wǎng)片采用網(wǎng)孔的規(guī)格為40 mm×40 mm，頂網(wǎng)片尺寸為5 400 mm×1 000 mm；錨索為普通錨索，材料為Φ18.9 mm的1×7 股高強(qiáng)度低松弛預(yù)應(yīng)力鋼絞線，長(zhǎng)度7 300 mm，鉆孔直徑28 mm；錨固劑型號(hào)一支規(guī)格為K2335、兩支規(guī)格為Z2360，先上快速錨固劑，再上中速錨固劑；錨索托盤(pán)型號(hào)為300 mm×300 mm×16 mm高強(qiáng)度可調(diào)心異形托板及配套鎖具，錨索布置方式為“3∶2∶3”，間排距為1 600 mm×1 000 mm； 錨索鋼筋托梁采用Φ20 mm的螺紋鋼焊接而成，托梁寬度為210 mm，長(zhǎng)度分別為3 600 mm、2 000 mm。

兩幫錨桿型號(hào)為Φ22 mm×2 400 mm高強(qiáng)度螺紋鋼錨桿，錨固劑型號(hào)一支規(guī)格為K2335，另一支型號(hào)為Z2360。鉆孔直徑為30 mm，錨桿間排距為800 mm×1 000 mm，采用金屬網(wǎng)配合型號(hào)為450 mm×280 mm×4 mm的W鋼護(hù)，并且采用鋼筋托梁護(hù)幫；錨桿鋼筋托梁采用Φ14 mm的螺紋鋼焊接而成，托梁寬度為210 mm，長(zhǎng)度為2 900 mm；網(wǎng)片采用的網(wǎng)孔規(guī)格40 mm×40 mm，幫網(wǎng)片尺寸為3 100 mm×1 000 mm。

圖3 11505 膠帶順槽支護(hù)斷面（單位/mm）

4 應(yīng)用分析

在11505 膠帶順槽掘進(jìn)進(jìn)尺100 m位置處布置綜合監(jiān)測(cè)測(cè)站，隨掘進(jìn)頭向前推進(jìn)對(duì)巷道圍巖變形和錨桿索受力進(jìn)行監(jiān)測(cè)，錨桿、錨索均選取頂板和兩幫中間位置處進(jìn)行監(jiān)測(cè)，結(jié)果見(jiàn)圖4、圖5。隨著掘進(jìn)面的向前推進(jìn)，頂板下沉量和左幫移近量均呈現(xiàn)增大趨勢(shì)，但增大速率逐漸減小，監(jiān)測(cè)45 d之后，巷道圍巖變形基本保持不變，頂板下沉量穩(wěn)定在15 mm、兩幫移近量穩(wěn)定在26 mm；根據(jù)錨桿和錨索的監(jiān)測(cè)受力情況表明，45 d之后受力情況基本不變，頂錨桿受力穩(wěn)定在54 kN、左幫錨桿受力穩(wěn)定在57 kN、右?guī)湾^桿受力穩(wěn)定在63 kN，預(yù)應(yīng)力錨索受力穩(wěn)定在220 kN，表明巷道整體受擾動(dòng)情況較穩(wěn)定，不會(huì)出現(xiàn)突然的來(lái)壓現(xiàn)象。在留設(shè)30 m保護(hù)煤柱和對(duì)巷道采用錨桿索聯(lián)合支護(hù)方式后，11505 工作面順槽的穩(wěn)定性得到了較好控制。

圖4 巷道變形統(tǒng)計(jì)

圖5 監(jiān)測(cè)受力統(tǒng)計(jì)

5 結(jié)語(yǔ)

孟家窯礦井11505 大傾角軟厚煤層膠帶順槽因受多次采動(dòng)影響，巷道完整性受到極大威脅。在分析巷道頂板和兩幫受力的基礎(chǔ)上，擬采用留設(shè)30 m煤柱和采用錨桿索聯(lián)合支護(hù)的方式，對(duì)11505 膠帶順槽進(jìn)行控制。在留設(shè)30 m巷間煤柱和采用高強(qiáng)度錨桿索支護(hù)措施后，監(jiān)測(cè)45 d后頂板下沉量穩(wěn)定

在15 mm，兩幫移近量穩(wěn)定在26 mm，錨桿索受力

均勻穩(wěn)定，巷道整體控制效果良好，為11505 工作面安全生產(chǎn)提供了有力保障。