煤矿倾角变化带巷道支护及现场实测

马金海

（山西省大同煤矿集团马道头煤业有限公司， 山西 大同 037100）

引言

近些年来，随着采煤技术、采煤工艺以及综采设备自动化水平的不断提升，工作面采煤效率不断提高。目前我国浅部及易开采的煤层已所剩无几，大部分地区的煤层埋藏较深且地质条件相对复杂，因而对其开采技术和支护水平提出了更高的要求。尤其是煤层倾角变化大、巷道断面形状不同导致工作面的支护难度较大，支护效果不佳严重制约了该类型工作面的开采进度[1]。因此，需对倾角变化煤层的巷道支护进行研究，为该类型煤矿的安全生产奠定基础。

1 工程概况

本文以某矿11853工作面为研究对象，该工作面的地面标高为31.5 m，综采工作面位于地下530～710 m之间，工作面地表为农田沟渠。该工作面煤层厚度为0.25～3.7 m，平均煤层厚度为2.5 m；煤层倾角范围为5°～30°，平均倾角为17°，属于倾角变化煤层，而且在煤层西南部的倾角变化较大，平均倾角为19°，其拐点位置倾角为13°。该工作面煤层的顶底板情况如表1所示。

分析表1可知，该煤层所处工作面的结构相对简单；工作面水源为顶板、底板砂岩水和冷凝水，说明工作面煤层在掘进过程中涌水量变化不大。经监测可知，工作面的正常涌水量为5 m3/min。值得注意的是，在该工作面的底部储水量相对丰富[2]。因此，在掘进和开采过程中应加强对工作面底部水的疏排工作。

为了确保倾角变化煤层的支护效果，需对不同煤层倾角下巷道的变形和破坏规律进行研究。本文采用数值模拟的方法对不同煤层倾角下的情况进行仿真分析。

表1 工作面顶底板情况

2 不同煤层倾角下巷道变形及破坏规律的分析

2.1 仿真模型的设计

基于FLAC软件对不同煤层倾角下巷道的变形和破坏规律进行仿真分析，所分析的煤层倾角包括0°、10°、20°、30°以及40°，各个模型具有以下特点：

1）上述仿真模型均是基于莫尔-库伦模型所搭建的，其物理模型均为弹塑性模型；

2）在仿真过程中忽略裂隙和软弱夹层对煤层顶底板强度的影响；

3）设计各个倾角工作面的巷道为正方形形状的巷道，其水平宽度为80 m，垂直宽度为80 m；

4）基于煤层工作面实际情况及相关理论基础，为各个模型添加载荷。其中，模型上边界的载荷为覆岩的自重，下边界载荷为垂直位移的载荷[3]。

2.2 仿真结果的分析

基于上述五个模型对不同倾角下巷道的变形量和破坏状态进行仿真分析，总结出如下结论：

2.2.1 不同煤层倾角下围岩应力的变化规律

1）随着煤层倾角的增加，巷道上帮的水平和垂直应力逐渐向巷道上方集中；

2）巷道顶底板的水平应力变化趋势与煤层倾角变化无关，其水平应力始终呈现拱形的变化趋势，且水平应力的最小值为原岩应力；

3）巷道顶底板的垂直应力变化趋势同样与煤层倾角变化无关，其垂直应力始终呈现拱形的变化趋势，且水平应力的最小值为原岩应力；

4）巷道顶板的垂直应力在其距离顶板7.5 m处的位置为临界点。当距离顶板的距离小于7.5 m时，巷道顶板的垂直应力增长较快；当距离顶板的距离大于7.5 m时，巷道顶板的垂直应力增加变缓。

2.2.2 不同煤层倾角下巷道围岩位移的变化规律

工作面顶板的变形随着倾角的增大而变小，底板的变形范围随着煤层倾角的增大而变小，底板底鼓量随着煤层倾角的增大而增加，导致上帮的变形量大于下帮。因此，针对煤层倾角较大的情况，需加强对底板上帮的支护[4]。

3 倾角变化煤层的巷道支护及现场实测

3.1 倾角变化煤层的巷道支护

目前，应用于工作面最为广泛的支护方式为锚杆支护。因此，本工作面也采用锚杆支护，并根据煤层情况对其锚杆支护参数进行设计，以达到最佳的支护效果。锚杆间距和锚杆的长度是锚杆支护的两项主要参数，为确定锚杆间距和锚杆长度，本文基于“控制变量”的原则对不同锚杆间距和锚杆长度下工作面顶底板位移的变化情况进行模拟分析。经模拟分析可知：

在锚杆间距一定的情况下，随着锚杆长度的增加工作面围岩的变形量越小；在锚杆长度一定的情况下，随着锚杆间距的减小工作面围岩的变形量越小[5]。锚杆长度为2.2 m时是对围岩变形控制的临界点，即，当锚杆长度小于2.2 m时，随着锚杆长度的增加对围岩变形的控制效果越好；当锚杆长度大于2.2 m时，随着锚杆长度的增加对围岩变形的控制效果越差。因此，最佳锚杆长度为2.2 m。

确定锚杆长度后，经模拟分析可知：当锚杆间距大于0.8 m时，随着锚杆间距的增大，其对围岩变形的控制效果变差。因此，选择锚杆间距为0.8 m。顶锚杆和帮锚杆的类型选择无纵筋螺纹钢锚杆。

锚杆参数确定后，对应的顶板和两帮的锚固参数如下：顶板和两帮的锚固长度为1 359 mm；顶锚杆的预紧力不小于30 kN;帮锚杆的预紧力不小于20 kN；锚索间距为3.2 m，预紧力为65 kN。

3.2 巷道支护的现场实测

将本文所研究工作面的煤层按照3.1所示的支护参数进行支护后，在现场设立三个观测点对其支护效果及矿压进行观测。主要观测巷道顶底板的位移量，具体观测结果如下：

1）巷道顶底板的最大位移量为410 mm，两帮的最大位移量为660 mm，最大底鼓量为23 mm，且工作面巷道围岩的移近量主要发生于实时工作面前方的30 m范围之内；

2）工作面巷道两帮的位移量明显大于顶底板的位移量，且巷道各处位置变形速度最大为上帮，其次为下帮，而后为底板，最小变形速度位置为顶板。

4 结论

近年来，我国埋藏浅、易于开采的煤层大部分已被开采，剩余尚未开采的煤层具有埋藏深、煤层倾角变化大等特点，导致传统适用于普通煤层工作面的支护方式不再适用。为保证针对煤层倾角变化工作面的支护效果，深入对煤层倾角支护效果的理论分析和实践应用效果观测，为今后更加恶劣、复杂工作面煤层的开采提供指导。