东周窑煤矿8103工作面护巷煤柱宽度分析及支护技术应用

时间：2024-07-28

刘振华

（晋能控股煤业集团同发东周窑煤业有限公司，山西大同 037100）

1 工程概况

东周窑煤矿8103工作面井下位于5#层一盘区，工作面开采C5#煤层，煤层平均厚度为4.0 m，平均倾角为5°，煤层内平均含有两层夹矸，煤层节理裂隙发育，煤层顶板岩层为泥岩和砂岩，底板岩层为泥岩和细砂岩。8103工作面采用综放顶煤开采。5103巷为8103工作面的回风巷，巷道设计沿煤层底板掘进，掘进宽度×高度=5.0 m×3.8 m。现为充分保障巷道掘进期间围岩的稳定，特进行巷道掘进期间护巷煤柱宽度及支护方案的设计分析。

2 护巷煤柱宽度分析

为确定5103巷合理的护巷煤柱宽度，根据弹塑性力学理论，结合实际生产条件，推导计算工作面采空区稳定后侧向支承压力分布情况，侧向支承压力峰值距离采空区的位置（塑性区宽度），为工作面小煤柱巷道的布置提供理论依据。建立煤柱塑性区宽度的计算模型如图1，为方便研究分析，模型中假设所有岩体为弹塑性体，煤体的破坏满足摩尔-库伦准则[1-3]。图中M为煤层开采厚度，σx和σy分别为水平应力和垂直应力，x1为极限平衡区宽度，σy1为垂直应力峰值，α为煤层倾角，Px为采空区对煤柱的水平约束力，τxy为煤层与岩层间剪应力。

图1 煤柱塑性区宽度计算力学模型图

基于煤柱塑性区宽度力学模型，推导出采空区侧向支承压力峰值距采空区距离表达式为[4-5]:

对于倾角小的煤层，可近似将α取为0°，能够进一步得出：

式中：β为侧压系数；σ为最大或最小水平主应力；φ0为煤层界面内的内摩擦角；C0为煤层界面中的黏聚力；其余符号含义同上。根据矿井地质资料及相关研究报告中的数据，取Px=0、C0=2 MPa、φ0=28°，分别取β=0.9、1.8，计算出不同侧压系数下煤厚4～8 m时的应力降低区范围如图2。

图2 不同开采厚度时侧向支承应力降低区距离

从图2看出，β=1.9时，开采厚度分别为4 m、5 m、6 m、7 m、8 m时的应力降低区范围分别为5.2 m、7.1 m、9.0 m、10.9 m、12.8 m。β=0.8时，开采厚度分别为4 m、5 m、6 m、7 m、8 m时的应力降低区范围分别为7.8 m、8.6 m、9.4 m、10.2 m、11.0 m。基于上述分析可知，侧向支承压力的峰值随着采厚的增大呈现出逐渐向深部煤体转移的趋势。基于8103工作面煤厚平均为4 m，得出应力降低区范围为5.2～7.8 m。

基于5103巷道设计的掘进宽度为5 m，为确保巷道布置在应力降低区内，尽可能地提高煤炭资源回收率，同时考虑到相邻工作面位于小煤柱中的硐室较多，避免小煤柱巷道与采空区出现打通现象，故综合确定煤柱宽度为6 m。

3 支护方案及效果

3.1 支护方案

根据5103巷赋存特征，结合护巷煤柱宽度分析结果，设计巷道锚网索支护方案，考虑到煤层松软破碎，设计巷道采用顶帮协同支护[6-7]，具体支护方案如下：

（1）顶板支护。锚杆采用Φ22 mm×2400 mm的螺纹钢锚杆，间排距为900 mm×1000/2000 mm，顶板布置6根锚杆，锚杆间采用W型钢带连接，锚杆托盘为150 mm×150 mm×10 mm蝶形托盘。W型钢带及金属网护表，W型钢带为4800 mm×280 mm×3 mm。

顶板锚索采用Φ17.8 mm-1×7-6300 mm钢绞线，每隔2排锚杆打一排锚索，间排距为900 mm×3000 mm，与顶板垂直布置，托盘为220 mm×200 mm×12 mm异形托盘（与JW钢带配套），锚索吊JW型高强度钢带及金属网护表，JW型钢带为4800 mm×330 mm×6 mm。顶板两顶角位置处布置2根规格为Φ17.8 mm-1×7-5300 mm钢绞线锚索，排距为2000 mm，以充分控制顶角区域的变形。

（2）小煤柱帮支护。锚杆规格同顶板，间排距1000 mm×1000 mm，锚杆采用150 mm×150 mm×10 mm的蝶形托盘，帮顶和帮底锚杆分别与巷帮成15°和10°向上和向下布置，采用W型钢护板（450 mm×280 mm×3 mm）及金属网护表（50 mm×50 mm）。

（3）采煤帮支护。锚杆布置参数同小煤柱帮，巷道支护时中间2根锚杆交替换成锚索，锚索规格为Φ17.8 mm-1×7-4300 mm，排距2000 mm，托盘为300 mm×300 mm×14 mm的拱型预应力铁托板，垂直巷帮。

（4）锚固长度及预紧力。锚杆锚固采用加长锚固，采用两支树脂药卷（MSK2335，+MSZ2360），预紧力矩不小于400 N·m，锚固力要求不低于190 kN。顶板锚索采用端头锚固，采用三支树脂药卷，一支MSK2335，两支为MSZ2360，药卷从上到下先快速，后中速。要求锚索预应力不低于210 kN，锚固力不低于320 kN，顶锚杆锚固长度900 mm，帮锚杆锚固长度600 mm，锚索锚固长度1500 mm。

具体5103巷掘进期间支护方案如图3。

图3 5103巷支护布置方式图（mm）

3.2 效果分析

5103巷掘进期间，每间隔50 m布置一组矿压监测站，随着掘进作业的进行，持续对巷道围岩变形量和锚杆索受力状态进行监测。现选取1#矿压监测站的监测数据进行具体分析。

（1）围岩变形量。根据1#测站围岩变形量的监测得出围岩变形曲线如图4。

图4 巷道掘进期间1#测站围岩变形曲线图

分析图4可知，巷道在现有支护方案下，顶底板及两帮的变形速率始终处于较低的水平。巷道围岩较为松软，故而巷道围岩变形时间较长，但围岩整体变形量小，观测期间内顶板下沉量、左帮和右帮移近量的最大值为35 mm、55 mm和67 mm。基于上述分析可知，巷道在现有护巷煤柱和支护方案下，围岩处于稳定状态，变形量满足使用要求。

（2）锚杆索受力情况。1#测站锚杆锚索受力曲线如图5。

图5 巷道掘进期间1#测站锚杆索受力曲线图

通过锚杆锚索的受力状况变化可以看出：

① 1#测站帮锚索预紧力设计要求为180 kN（31 MPa），现场采用YCD18-350型张拉千斤顶，张拉系数为5.83。由于煤壁较软以及预应力损失，帮锚索获得初始预紧力在50～100 kN范围之间，平均值约75 kN。掘进初期帮锚索受掘进影响受力变化较大，之后帮锚索受力变化幅度趋为稳定，最终帮锚索工作阻力保持在90～150 kN范围之间，平均值为130 kN。

② 1#测站帮锚杆预紧力力矩为设计要求的400 N·m，现场采用8倍扭矩倍增器进行预紧，帮锚杆获得初始预紧力在45～82.5 kN范围之间，平均值约63.5 kN。掘进初期帮锚杆受掘进影响受力变化较大，之后锚杆受力变化幅度较为稳定，帮锚杆工作阻力保持在88～90 kN范围之间，平均值为89 kN。

③ 1#测站顶锚索预紧力为设计要求的290 kN（51 MPa），现场采用型号为YCD22-370型张拉千斤顶，张拉系数为6.26，现场操作要求达到46 MPa以上。1#测站锚索监测数据表明，顶锚索初始预紧力损失之后初始受力达到160～195 kN之间，平均值为175 kN，掘进初期受掘进影响波动较大，

之后锚索受力值一直保持稳定，最终顶锚索受力保持在140～230 kN之间，平均值为185 kN。

综合上述分析可知，巷道掘进期间锚杆索受力均处于正常状态，锚杆索均起到其主动支护的效果，保障了巷道掘进期间围岩的稳定。