晉北煤業工作面煤巷支護技術優化實踐

王瑞捷

(霍州煤電集團有限責任公司，山西 霍州 031400)

0 引言

隨著煤炭資源的不斷開采，礦井開采的深度和強度不斷增加，趨向于開采地質條件較為復雜的煤層，受到深部高地應力的影響，許多巷道圍巖發生軟化現象[1-3]，巷道圍巖破碎，變形較為嚴重，原有的支護方式難以保證巷道破碎圍巖的穩定[4-6]?，F階段，許多研究學者針對巷道支護技術進行了大量研究。例如，張科[7]針對郭莊煤礦大斷面全煤巷道，分析了巷道圍巖破壞特征，優化了錨桿及錨索間距；王文才[8]采用FLAC3D及正交試驗法優化了巷道支護參數，取得了良好的效果；張琪[9]分析得到巷道兩幫圍巖破壞不大及頂底板完整，優化了支護參數減小了支護強度。因此，針對晉北煤業全煤巷道頂底板具體地質條件下支護技術進行優化研究具有重要的意義。

1 工程概況

1.1 礦井概況

晉北煤業隸屬于霍州煤電集團，位于山西省忻州市。其中，5-101工作面東北與一采區皮帶巷、一采區軌道巷、一采區回風巷相接，采煤工作面走向長700 m，傾向長180 m，面積為148 060 m2；工作面煤層傾角2°～8°，平均傾角為5°。該工作面煤層為5上號煤，局部5上號煤層與5下號煤層合并，煤層厚度6～9.5 m，平均厚4.62 m，為本井田內穩定可采煤層。礦井絕對瓦斯涌出量為1.73 m3/min，CO2絕對涌出量為2.17 m3/min，為瓦斯礦井。

5-101工作面直接頂為泥巖，厚度為3.0～5.0 m，巖性特征為深灰色，塊狀，致密狀、質堅硬，具裂隙，被方解石脈充填。基本頂為灰巖，厚度為2～6 m，巖性特征為灰黑色，中厚層狀，粉砂泥質結構，性脆易碎，含植物根莖化石。5-101工作面直接底板為砂質泥巖，厚度為1～2 m，巖性特征為灰白色，層狀，粉砂泥質結構，質較軟，含植物化石。

1.2 工作面巷道原支護方式

5-101工作面巷道主要沿5號煤頂板掘進，煤層厚度平均為4.7 m，埋藏淺局部蓋山厚度為40～60 m，且裂隙發達。在施工過程中，頂板巖性較差極易塌落，巷道成形差且支護變形量較大，極大影響了安全生產。巷道原支護方式采用工字鋼架棚支護，支護成本高，工人勞動強度大，安全隱患發生幾率較大，同時單一的架棚支護無法保證破碎頂板、斷層、風氧化帶、頂板淋水等地質狀況下的巷道支護效果。

1.3 巷道斷面形狀及尺寸

巷道斷面形狀：巷道斷面形式主要為矩形、拱形、馬蹄形和梯形等，根據晉北煤業工作面具體地質條件，且開掘的工作面巷道服務年限不長，確定巷道采用矩形斷面[10]。

巷道斷面尺寸：根據《煤礦安全規程》可知，巷道尺寸由設備寬度及人行通道寬度相加總和來確定。晉北煤業工作面運輸巷道的設備與兩側的巷幫、人行道距離均不小于500 mm，行人道寬度不小于800 mm，行人側有水溝，寬度不小于500 mm，則晉北煤業5-101工作面運輸巷最小凈寬度[11]

B=a+b+c+d+e

(1)

式中：a—皮帶輸送機寬度，取1 600 mm；b—水溝寬度，取600 mm；c—人行道寬度，取800 mm；d—皮帶輸送機外緣到同側人行道之間的距離，取500 mm；e—皮帶輸送機外緣到同側巷幫之間的距離，取500 mm；B—巷道凈寬度，mm。經計算可知，5-101工作面運輸巷最小凈寬度為4.0 m，考慮寬度及安全系數和施工作業方便，最終確定晉北煤業5-101工作面運輸巷凈寬度為4.2 m。綜合考慮皮帶輸送機的高度、管道及風筒的懸掛、工作面通風量的要求，最終確定運輸巷的高度為3.5 m。因此，運輸巷寬度4.2 m，高度3.5 m，斷面面積為14.7 m2?；仫L巷斷面計算同運輸巷。

2 巷道支護技術優化

2.1 工程類比法確定巷道支護方式

類似礦井主要支護參數：工作面巷道的合理支護方式取決于煤層的不同賦存條件和支護參數的優化配置，相似工況條件下的成功支護經驗對于巷道支護具有十分重要的借鑒意義，表1為類似礦井工作面巷道主要支護參數。

支護方式確定：由以上3個礦井相似工作面地質條件巷道所采取的支護方式進行對比分析，可發現均采用錨桿+錨網索聯合支護方式，在頂板為泥巖等軟巖時，可以保證巷道的安全穩定。因此，晉北煤業工作面巷道采用錨桿+錨網索+鋼帶聯合支護方式。

2.2 理論計算確定巷道支護參數

采用理論計算的方法，確定巷道支護的基本參數[12]。

錨桿長度：

L=L1+L2+L3

(2)

L2=B/2f

(3)

式中：L1—為錨桿外露長度，取50 mm；L2—為錨索深入穩定巖層長度，取200 mm；L3—錨桿的有效長度，mm；B—巷道跨度，取4.3 m；f—巖石堅固系數，根據實驗室測試取1.1。將數值代入上式，得錨桿長度L=2.2 m。

錨桿直徑：

(4)

式中：Q—為錨桿錨固力，直徑20 mm的錨桿取80 kN；σ—錨桿桿體的設計抗拉強度，取335 MPa。將數值代入上式，得錨桿直徑d=17.46 mm，為了一定的安全系數，取錨桿直徑為20 mm。

表1 類似礦井工作面巷道主要支護參數

錨桿間排距：一般情況下，錨桿間排距相等，即

(5)

式中：k—錨桿安全系數，取1.5；γ—巖體容重，取25.6 kN/m3。將數值代入上式，得錨桿間排距a=1.19 m，考慮到回采采動及其他擾動影響，將頂板錨桿的間排距設計為1 m。

錨索長度：錨索長度按下式計算

L=L1+L2+L3

(6)

式中：L1—錨桿錨固長度，取1.6 m；L2—錨索外露長度，取0.2 m；L3—需要錨索加固的破碎圍巖高度，為壓力拱高度再考慮1.5倍的安全系數，取3.5 m。將數值代入上式，得錨索長度為5.3 m。

錨索排距：

(7)

式中：B—巷道最大冒落寬度，取4.3 m；H—巷道最大冒落高度，取3 m；L1—錨桿排距，取1 m；F1—錨桿錨固力，取80 kN；F2—錨索極限承載力，取353 kN；θ—錨桿與巷道頂板的夾角，取75°；n—每排錨桿的數量，取2。將數值代入上式，得錨索排距L′=3.1 m，由于晉北煤業煤層頂板巖層厚度變化較大，且頂板較為復雜破碎，故將錨索間排距設計為2 m。

2.3 巷道支護方案

圖1 巷道頂板支護平面圖

頂板支護方案：巷道頂板采用規格為φ20 mm×2 200 mm的左旋無縱筋螺紋鋼錨桿，間排距為950 mm×1 000 mm，如圖1所示。鋼托盤規格為150 mm×150 mm×10 mm，錨桿錨固均采用兩支樹脂藥卷錨固，規格為K2340和Z2388各一支，錨固長度為1 200 mm，預緊扭矩不小于150 N·m。錨索規格為φ17.8 mm×5 300 mm的1×7股鋼絞線錨索，采取“二二”布置，每隔兩排錨桿支護一排錨索，每排錨索有2根，即間排距為1 800 mm×2 000 mm。配套300 mm×300 mm×20 mm金屬平托盤。采用三支樹脂藥卷錨固，一支規格為K2340，兩支規格為Z2388，錨固長度為2 000 mm，張拉預緊力不小于150 kN。頂板托梁均選用鋼筋梯形梁，若頂板破碎時選用W型鋼帶，規格采用為5 000 mm×220 mm×3 mm(長×寬×厚)，錨桿均布置在鋼帶上。

巷幫支護：巷道幫部采用φ18 mm×2 000 mm左旋無縱筋螺紋鋼錨桿，間排距為1 000 mm×1 000 mm，托盤均選用鋼托盤，托板規格為150 mm×150 mm×10 mm，錨桿錨固均采用一支樹脂藥卷錨固規格為Z2388，錨固長度為1 200 mm，預緊扭矩不小于120 N·m，如圖2所示。巷道支護方式斷面如圖3所示。

圖2 兩幫支護剖面圖

圖3 巷道支護斷面圖

3 現場應用

3.1 支護效果分析

數據記錄：5-101工作面巷道采用如上支護技術方案進行支護工作，為研究以上方案參數的合理性及巷道圍巖的變形量，在巷道每隔30 m設置一個測站，分別記錄巷道兩幫及頂底板變形量。

結果分析：通過提取測站數據分析，在工作面回采期間，兩幫移近量穩定在103 mm，頂底板移近量穩定在95 mm，完全可以保證巷道的安全穩定，保障工作面的正常回采需求。

3.2 經濟效益分析

在晉北煤業礦井工作面將以往的U型棚支護變更為錨網梁支護，在有力的支護理論依據支持下支護形式靈活應用。既有效控制頂板又節約支護成本，降低職工勞動強度，與原來掘進速度相比提高20%，每米成本節約3 000元。

4 結語

針對晉北煤業5-101工作面巷道原支護方式不能滿足變形要求等問題，采用理論分析，確定了工作面巷道斷面形狀為矩形，斷面尺寸為4.2 m×3.5 m。采用工程類比法，比較分析了沙坪煤礦18204工作面、王莊煤礦6207工作面、馬道頭煤礦2203工作面3個類似的工作面巷道圍巖條件，結合晉北煤業工作面巷道的頂底板特點，總結得出當巷道頂板巖層為泥巖等軟巖時，可以采用“錨桿+錨網索+鋼帶”聯合支護方式，并針對晉北煤業5-101工作面具體條件，理論計算得出了各支護方式參數。通過現場應用，此支護方案可以保證5-101工作面巷道的穩定，且取得了較大的經濟效益。