隆安煤業11305工作面巷道支護技術研究

魏正茂

(1.山西煤炭運銷集團忻州有限公司，山西 忻州 034000；2.山西煤炭運銷集團科學技術研究有限公司，山西 太原 030006)

引 言

在河東煤田忻州區域，11#上和11#下煤層，或11#和12#煤層為近距煤層，層間距范圍多為1.5 m～3.5 m，且上組煤和下組煤均為中厚煤層，煤層厚度小于1.8 m，礦井地質條件和地質力學性質簡單。工作面巷道支護采用礦井初步設計或經驗，導致工作面巷道支護過強或不夠，甚至巷道支護理念落后，支護優化空間較大，支護優化工作顯得尤為必要[1-4]。本文以隆安煤業11#下組煤層作為研究對象，對其地質力學性質進行分析，并對比現有支護情況對其問題進行分析，以優化其支護方式及參數。

1 11305工作面回風順槽圍巖地質條件

隆安煤業目前開采8#煤層和11#煤層，8#煤層剩余資源不多，11#煤層為主采煤層。11#煤層分為2層，從目前巷道揭露情況看11#上組煤厚度1.2 m～1.7 m，11#下組煤厚度1.8 m～2.6 m；11#上組煤與11#下組煤平均層間距為2.0 m；11#下組煤厚度總體呈由東向西、由北向南逐漸變厚的趨勢。

11#下組煤北部為三采區大巷，南部為原廢棄民采平硐采空區，東部為實體煤，局部受采動破壞，西部為11305工作面，11301工作面與11305工作面凈煤柱為30 m。11305工作面回風順槽為11#煤層第二個工作面回風順槽，設計走向長度1 118 m，沿11#下組煤層頂板掘進，地面標高1 024 m～1 102 m，工作面標高910 m～932 m，埋深90 m～170 m，地表起伏較大。圖1為工作面布置示意圖。

圖1 11305回風順槽布置圖

煤巖層情況，11#下組煤，黑色，條帶狀結構，塊狀構造，厚度1.61 m；直接頂為泥巖，泥質結構，塊狀構造，厚度1.84 m；之上為11#上組煤，黑色，條帶狀結構，塊狀構造，厚度1.5 m；之上為泥巖，黑色，泥質結構，塊狀構造，厚度1.0 m；之上為粉砂巖，灰白色，粉砂質結構，塊狀構造，厚度3.95 m；之上為泥巖，黑色，泥質結構，塊狀構造，厚度6.72 m；之上為中砂巖，灰白色，中粒結構，塊狀構造，厚度4.97 m。11#下組煤直接底為泥巖，泥質結構，塊狀構造，厚度2.68 m；之下為中砂巖，灰白色，中粒結構，塊狀構造，厚度10.32 m。

構造情況，11305工作面回風順槽可能受斷層影響較多，該掘進工作面無巖漿巖體侵入、陷落柱等其他地質構造。水文地質情況，11305工作面回風順槽正常涌水量50 m3/h～80 m3/h，最大涌水量180 m3/h。瓦斯情況，屬氮氣-沼氣帶。

對井下使用的錨桿進行了拉拔試驗，試驗地點在11301工作面運輸順槽，頂板進行了3根錨桿拉拔試驗，錨桿錨固力均能達到要求。

2 工作面地質力學測試與分析

在11301工作面運輸順槽距開口150 m和200 m位置進行了頂板7 m范圍內的巖層結構窺視和強度測試，同時，在200 m位置幫部進行了煤體結構窺視。

2.1 圍巖結構觀察

由11301工作面運輸順槽距開口150 m頂板巖層窺視結果可知，頂板0 m～2 m為砂質泥巖，完整性較好；2.0 m～3.7 m為11#上組煤，完整性較好；3.8 m～6.1 m為砂質泥巖，在4.9 m處有裂隙，其余位置完整性較好，局部含有泥巖夾層。

由11301工作面運輸順槽距開口200 m頂板巖層窺視結果可知，頂板0 m～1.4 m為砂質泥巖，完整性較好；1.4 m～3.1 m為11#上組煤，完整性較好；3.1 m～7.0 m為砂質泥巖，巖層整體較完整，在5.0 m處有裂隙，局部含有泥巖夾層。

由11301工作面運輸順槽距開口200 m幫部煤體窺視結果可知，煤幫0.3 m處有橫向裂隙；1.0 m～1.4 m處有縱向裂隙；1.6 m～3.0 m煤層完整；3.1 m～4.6 m為泥巖，幫部煤體整體完整性較好。

對上述鉆孔窺視進行分析，窺視結果與礦上提供的柱狀圖有差別，以現場窺視結果為主要依據；11301工作面運輸順槽距開口150 m和200 m處頂板窺視結果有所差別，在150 m處的窺視結果中，5.3 m～5.8 m處有明顯的泥巖夾層，而在200 m處窺視結果則沒有，說明頂板巖層條件變化較大；11#下組煤直接頂為砂質泥巖，完整性好，在支護范圍基本沒有裂隙，有利于錨桿、錨索預緊力和支護阻力擴散，且厚度在2 m左右，建議錨桿長度選擇2.4 m，錨索長度選擇5.3 m。

2.2 圍巖強度測試

采用WQCZ-56型圍巖強度測試裝置在頂板鉆孔內進行了6.1 m范圍煤巖層的強度測試，在幫部鉆孔進行了強度測試。頂板圍巖強度測試結果為頂板0 m～2 m為砂質泥巖，強度平均值為90.61 MPa；2.1 m～3.7 m為11#上組煤，強度平均值為22.10 MPa；3.8 m～6.1 m為砂質泥巖，平均強度值為83.92 MPa。煤幫強度測試結果為11#下組煤，平均強度值為19.02 MPa。

從頂板巖層強度測試結果可以看出，11#下組煤直接頂砂質泥巖，強度為90.61 MPa，有利于錨桿預緊力和支護阻力的擴散，結合圍巖窺視結果分析，該巖層自身承載能力好，有利于保持巷道頂板穩定；11#下組煤煤體強度較高，為19.02 MPa，易保持巷道幫部穩定。

3 現有支護情況及問題分析

3.1 當前支護情況

以與11305工作面回風順槽相似的11301工作面回風順槽為例，說明巷道的支護情況，該巷道寬度4.5 m，高度2.6 m。圖2為11301工作面回風順槽支護示意圖。

圖2 11301工作面回風順槽支護圖(mm)

從圖2中可以看出，頂錨桿間排距為1 100 mm×1 000 mm，每排4根，中部2根錨桿垂直于頂板施工，邊角頂錨桿與頂板呈80°角；選用20 mm×2 200 mm圓鋼錨桿，1個CK2360錨固劑；托盤選用150 mm×150 mm×8 mm拱形高強度托盤；頂板錨桿的扭矩不小于100 N·m；錨索選用15.24 mm×7 000 mm七股鋼絞線，二二布置，間排距為1 800 mm×2 000 mm；3個錨固劑，1個CK2360，2個K2360；采用300 mm×300 mm×14 mm高強度托盤，錨索預緊力不小于100 kN。非回采側幫圓鋼錨桿，16 mm×1 200 mm；回采側幫玻璃鋼錨桿，20 mm×2 200 mm，圓鋼錨桿預緊力矩不低于80 N·m；頂部選用6.0 mm單層鋼筋金屬平焊網，幫部不鋪網。

3.2 支護存在的問題

1) 支護材料方面，頂板采用20 mm×2 200 mm圓鋼錨桿，承載能力119.4 kN；錨桿托板，錨桿配套150 mm×150 mm×8 mm方形帶拱托板，不配套調心球墊和減摩墊片，托板的拱形高度設計偏低，試驗得出托板承載能力在92 kN～99 kN，與直徑20 mm圓鋼錨桿強度不配套；不配套調心球墊和減摩墊片，預緊扭矩與預緊力轉化系數低，錨桿主動支護能力差，當錨桿與巷道圍巖表面不垂直時，容易被托板口卡住；錨索托板，錨索配套300 mm×300 mm×14 mm方形平托板，該托板存在明顯的弊端，托板為平鋼板，承載力差，應改為拱形托板，提高托板承載能力；托板孔小，無法與調心球墊配套，當錨索施工質量差，與頂板不垂直時，托板容易剪切錨索。

2) 技術參數方面，頂板錨桿預緊力矩不小于100 N·m，頂板預應力水平相對較低。由于頂板條件好，且巷道為實體煤巷道，不受采動影響，巷道基本沒有變形，錨桿預緊力小、主動支護效果差的缺點沒有暴露，當巷道地質條件變化支護困難時，如果不提高錨桿預緊力，錨桿布置參數相同時巷道支護效果將有明顯差別；頂板角錨桿沒有垂直頂板打設，與鉛錘線有10°～15°夾角，導致頂板角錨桿形成的預應力場和中部錨桿形成的預應力場相分離。

3) 施工機具和礦壓監測方面，錨索張拉采用手動張拉機具；錨桿沒有專門風動或液壓預緊機具，導致錨桿預緊力矩低；沒有系統地進行過錨桿、錨索受力測量，不清楚錨桿、錨索的工作狀態。

4 11305工作面巷道支護

以11305工作面回風順槽為例，說明11305工作面巷道支護方式。11305工作面回風順槽矩形斷面，沿11#下組煤頂板掘進，掘進寬度4.5 m，高度2.6 m，掘進斷面積為11.7 m2。

頂板支護，錨桿18 mm左旋無縱筋螺紋鋼筋，長度2 400 mm，螺紋長度120 mm～150 mm，桿尾螺紋為M20；樹脂加長錨固，1支CK2360樹脂藥卷，28鉆頭；高強錨桿螺母M20，方形帶拱托板，配套調心球墊和1010尼龍墊圈，150 mm×150 mm×8 mm；6.0 mm鋼筋網護頂，4 500 mm×1 200 mm；錨桿排距1 100 mm，每排4根錨桿，間距1 100 mm；錨桿預緊扭矩不低于200 N·m，但不能超過400 N·m；錨桿全部垂直頂板安裝，考慮到施工需要，允許有5°誤差。錨索17.8 mm，長度5 300 mm，28鉆頭，3支樹脂藥卷，2支K2360，1支CK2360；300 mm×300 mm×14 mm方形帶拱錨索托板，配套調心球墊。承載能力不低于400 kN，托板拱高不低于60 mm；二一布置，排距2 200 mm，錨索初始張拉力200 kN。

非工作面側幫，錨桿16 mm圓鋼錨桿，長度1 200 mm，1支K2360樹脂藥卷；方形帶拱托板，配套調心球墊和1010尼龍墊圈，150 mm×150 mm×8 mm；預緊扭矩80 N·m。

工作面側幫，錨桿20 mm，長度2 200 mm，玻璃鋼錨桿，1支K2360樹脂藥卷，預緊力矩40 N·m。

5 結論

當近距離煤層厚度小于2 m，巷道圍巖地質力學性質比較簡單時，巷道支護方式表現為支護強度較大，另一種表現為支護強度不夠。本文以隆安煤業11301和11305工作面為例，11301工作面巷道支護方式相對落后，存在相當大的優化空間，從支護材料、支護方式、組合構件、預緊力等方面對11305工作面巷道進行了優化，充分發揮了錨網主動的支護作用，確定了隆安煤業相對合理的巷道支護方式。該研究對推動隆安煤業巷道支護技術的發展具有積極的作用。