近距離煤層底鼓巷道支護方案優化分析

張天倉

(太原理工大學 礦業工程學院，山西　太原　030024)

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·技術經驗·

近距離煤層底鼓巷道支護方案優化分析

張天倉

(太原理工大學 礦業工程學院，山西太原030024)

摘要基于煤峪口礦近距離煤層底鼓巷道圍巖穩定性的問題，分別從頂板、兩幫以及底板3個區域提出了該礦51010巷圍巖穩定性的維護方案，并針對巷道底鼓嚴重的問題，提出在原有支護基礎上，利用高強讓壓錨索束梁補強維護。實踐表明：該方案的應用節約了支護成本，避免了巷道返修，減輕了勞動強度，提高了巷道的穩定性，滿足了正常生產的需要，為今后類似條件下巷道支護方案優化提供了借鑒，值得推廣應用。

關鍵詞近距離煤層；底鼓巷道支護；高強讓壓錨索束梁

1工程概況

大同煤礦集團煤峪口礦位于大同煤田東南翼的東北端，距大同市17 km.井田西北部410盤區主采14#煤層與上部11#-12#煤層為近距離煤層，層間距和煤層厚度均極不穩定，受此影響，巷道在掘進和工作面回采時變形破壞嚴重，難以維護，嚴重影響工人安全和生產效率，亟需對該問題進行系統研究。

該礦14#層410盤區81010工作面設計走向長度為915 m，傾向寬度141 m，地面標高1 300～1 323 m，工作面標高966.0～978.0 m.上部11#-12#合并層煤柱寬度21 m左右，14#層81004-81006煤柱寬度35 m左右，14#層工作面相對于上部11#-12#合并層工作面內錯7 m. 煤層1.41～2.01 m，平均1.9 m，傾角1°～4°，平均2°.

2巷道圍巖穩定性分析

2.1巷道破壞情況

受81004工作面開采的影響，51006巷距巷口300 m左右變形明顯，發生嚴重底鼓，局部巷道巷高已經不足1 m，不得不在距離巷道開口323 m處重新開掘1條巷道。巷道內其他位置發生變形破壞主要表現為：

1) U型棚變形破壞。一般表現為幫部卡纜螺栓拉斷，卡纜張開。

2) 頂板下沉量大。頂部U型棚整體壓平、扭曲，幫部U型棚搭接處出現滑移(20～30 cm).

3) 底鼓。底板粉細砂巖發生剪切破壞，整體向巷幫一側翹曲或在巷中鼓起。

4) 煤幫內擠。巷道煤幫煤巖交界面處向巷道內部擠入，壓迫U型棚。

2.2破壞原因分析

1) 超前壓力相互疊加。

根據滑移線場理論，11#-12#合并層煤柱下方形成應力集中區，若底板發生塑性破壞，則將會在底板中形成3個區：主動區、過渡區和被動區。煤柱集中應力經過主動區和過渡區的傳遞后會由豎直方向變為水平方向，造成51004巷和51006巷水平應力集中，頂板撓曲下沉及底鼓。

若底板不發生塑性破壞，則11#-12#合并層煤柱集中應力作用于14#層頂板，進而傳遞至煤幫和底板，造成頂板下沉及兩幫內擠。當巷道頂、幫支護強度較高時，則應力在底板處釋放，發生底鼓。

14#煤層頂板為中細砂巖，其厚度變化較大，51004巷與51010巷的變形破壞是垂直和水平應力共同作用的結果。當14#煤層回采時，巷道圍巖承受的靜態集中應力與本工作面回采的超前壓力相互疊加，壓力量級急劇增加，壓力在空間上的變化將更為迅速。

2) 頂板厚度變化大。

410盤區11#-12#合并層由南向東北逐漸變薄，厚度為15～1.5 m.厚度小導致的直接問題是無法使用常規錨桿、錨索，僅能依靠架棚支護。

3) 圍巖穩定性預先破壞。

巖體強度是巖石強度和結構面強度的綜合，其中結構面強度對巖體強度起主要控制作用。上部11#-12#合并層回采過程中，其峰前壓力會在底板中產生塑性破壞區，造成14#煤層頂板形成初始損傷，強度和整體性均降低。

4) 支護結構承載能力。

如何在保證巷道穩定性的前提下，最大限度地利用頂板原巖強度，充分發揮錨桿、錨索等支護結構的性能，形成穩定可靠的承載結構是目前近距離煤層巷道支護的重點。

3支護方案的確定

3.1支護思路

結合前文分析，確定本次51010巷主要支護原則和注意事項：

1) 提高錨桿強度、剛度及預緊力，以增加巖梁(墻)強度，充分調動圍巖自身承載能力。

2) 高阻讓壓。在滿足高支護阻力的前提下，支護系統應允許一定的變形，具有讓壓功能抵抗鄰近及本工作面采動壓力的影響。

3) 整體差別支護。頂板、煤幫、底板支護均是支護系統不可或缺的組成部分，三者任何一方面均不可忽略，煤幫相對于頂底板強度較低，支護系統應突出支護強度差別。

4) 減跨或改變巷道變形。

5) 護表，防止碎石冒漏傷人。

3.2支護方案

1) 巷道斷面及支護形式。

巷道斷面為半圓拱形，荒斷面寬×高為4 840 mm×3 400 mm，支護形式為高阻讓壓錨桿+讓壓鳥窩錨索+29U型棚(+高強讓壓錨索束梁)支護。支護斷面示意圖見圖1.

圖1　巷道支護示意圖

2) 錨桿支護系統參數。

錨桿選用d20 mm×2 000 mm高強讓壓錨桿，配套高強托盤型號為150 mm×150 mm×8 mm，錨桿間排距為1 000 mm×1 000 mm，底板錨桿間距為800 mm. 采用金屬網作為表面控制的方式。每套錨桿采用1卷K2335和1卷Z2335樹脂藥卷。

3) 頂幫錨索支護參數。

頂板及幫部鳥窩錨索規格d18.9 mm×5 000 mm，排距2 000 mm，錨索托盤為300 mm×300 mm×12 mm的高強球型托盤。每套錨索采用3支Z2350的樹脂錨固劑。頂底板每排錨索采用1條11#礦用工字鋼鋼梁連接，頂板工字鋼梁長3 000 mm，三孔，孔間距1 400 mm.

4) 底板高強讓壓錨索。

底板發生嚴重底鼓時，在現有支護參數的基礎上增加底板高強讓壓錨索束梁支護。

a) 每組錨索束由3根d17.8 mm×5 000 mm高強度低松弛鋼絞線編制組成，配用12#普通工字鋼焊低梁，托盤規格為400 mm×400 mm×16 mm.

b) 每排2組錨索束，間排距為2 400 mm×2 400 mm，錨索距離幫底腳1 m，外擺30°.

c) 錨索束安裝時，首先使用42.5#普通硅酸鹽水泥配置的水泥漿注入孔底，進行初始錨固，最終漿液采用水泥-水玻璃雙液漿高壓注漿，注漿淺孔終壓6 MPa，錨索孔注漿終壓8 MPa.

5) 29U型棚支護參數。

29U型棚為5節，搭接長度為500 mm，每個搭接處均布置3套卡纜，排距為1 000 mm.

3.3特殊位置支護

1) 施工中遇到頂板破碎帶煤層松軟區、地質構造變化帶、斷層等圍巖支護條件復雜區域，可將錨桿間排距調至0.7 m×0.7 m，錨索排距適當調小，并輔助采用點柱、套棚等強化支護措施，此種支護形式應延至斷層帶范圍以外20 m及以上。

2) 巷道穿層施工范圍，錨索長度根據巷道頂部上覆煤巖層厚度變化情況及時調整，并確保錨入穩定巖層不少于1 000 mm.

綜上分析可知，近距離煤層81008工作面底鼓巷道支護方案最終確定為：

高阻讓壓錨桿+讓壓鳥窩錨索+29U型棚(+高強讓壓錨索束梁)支護；錨桿選用d20 mm×2 000 mm高強讓壓錨桿，間排距為1 000 mm×1 000 mm，底板錨桿間距為800 mm.

頂板及幫部鳥窩錨索規格d18.9 mm×5 000 mm，排距2 000 mm，頂底板每排錨索采用1條11#礦用工字鋼鋼梁連接；底板發生嚴重底鼓時，在現有支護參數的基礎上增加底板高強讓壓錨索束梁支護：每組錨索束由3根d17.8 mm×5 000 mm高強度低松弛鋼絞線編制組成。間排距為2 400 mm×2 400 mm，錨索距離幫底腳1 m，外擺30°.

4工業性試驗及經濟效益分析

1) 原支護成本。

煤峪口礦51006巷原支護方式為29U型棚，棚間距0.5 m，支護費用3 800元/m，破壞后返修成本1 420元/m，最終支護成本總計5 220元/m.

2) 現支護成本。

煤峪口礦51010巷現支護成本為：高強讓壓錨桿，每米消耗量為23.75套，試驗段長度200 m，總價1 210.78元/m；讓壓鳥窩錨索每米消耗量2.5套，試驗段長度200 m，總價520.4元/m；W鋼帶每米消耗量2.5套，試驗段長度200 m，總價352.2元/m；結合錨桿(索)樹脂材料分析，51010巷的支護方案取消了U型棚，使用錨網索支護，支護成本共計2 843.9元/m.

3) 節約支護成本。

51010巷每米節約成本2 376.1元，巷道總體長度為999 m，共節約支護成本237.38萬元。

4) 支護效果。

優化后的支護方案，除經濟上節約成本外，在巷道穩定性維護方面達到了預期的目標。避免了巷道的二次修復，減輕了工作人員返修維護巷道的勞動強度。比起相鄰的利用原有支護方案支護的巷道，其工作面開采過程中，巷道穩定性較好，對正常生產的影響也較小。

參考文獻

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Optimization Analysis on Support Scheme of Floor Heave Roadway in Close Distance Coal Seam

ZHANG Tiancang

AbstractBased on the surrounding rock stability of floor heave roadway in Meiyukou coal mine close distance coal seam, respectively from three regions of the roof, two sides and floor propose the mine 51010 roadway surrounding rock stability maintenance scheme, and for the tunnel floor heave serious problem, proposes based on the original support using high strength and pressure relief anchor cable beam reinforcement maintenance. Practice shows that the application of the scheme meets the needs of normal production. In the future for the similar conditions under the roadway support scheme optimization provides a reference, it is worthy of popularization and application.

Key wordsClose distance coal seam; Floor heave roadway support; High strength and pressure relief anchor cable beam

中圖分類號：TD353

文獻標識碼：A

文章編號：1672-0652(2016)01-0023-03

作者簡介：張天倉(1968—)，男，山西懷仁人，2013年畢業于山東理工大學，高級工程師，主要從事煤礦管理工作(E-mail)zhangtiancang1986@126.com

收稿日期：2015-10-20