青洼礦2101工作面支護參數設計研究

王攻關

（晉煤集團晟泰公司安全管理部，山西 晉城 048006）

0 引言

工作面回采后合理的支護參數影響著頂板的穩定性及回采速率，對礦井回采安全和經濟效益具有促進作用[1～2]。但是，由于礦井開采深度和地質條件的復雜，工作面回采后受高地壓及斷層等構造的影響頂板易破壞，造成支護困難。工作面頂板穩定性差又會導致回采巷道圍巖出現變形破壞[3～4]。因此，工作面回采后根據煤層賦存條件、地質構造等因素，合理設計支護參數，支架支護強度及工作阻力等參數要保證回采工作面頂板的穩定性，從而保證工作面的安全高效回采[5～6]。

1 工作面概況

青洼礦2101工作面位于一采區南部，為礦井首采工作面。工作面主采2號煤，煤層厚度1.93～3.03m，傾角1～3°。直接頂為3.0m厚泥巖，基本頂為約3.5m厚細粒砂巖；直接底為1.2m厚粉砂巖，基本底為約4.8m厚細粒砂巖。開采2號煤層時，礦井最大絕對瓦斯涌出量為7.78m3/min、最大相對瓦斯涌出量為6.16m3/t，屬于瓦斯礦井；礦井正常涌水量200m3/d，最大涌水量320m3/d，水文地質條件為中等類型。

2 巷道掘進支護設計

2101工作面兩巷掘進后，受斷層、陷落柱等地質構造的影響，巷道圍巖變形較大，因此，需要采用錨網索+注漿加固的支護措施加固巷道圍巖強度，提高巷道整體穩定性，保證工作面的安全高效回采。

2.1 錨網索支護

1）構造變形較大區域。

斷層等構造區域是2101工作面圍巖變形量最大區域，占總變形量的70%～80%，因此，采用錨網索對巷道加強支護，其支護參數見表1，支護示意圖如圖1所示。

表1 斷層等構造區域錨網索支護參數

圖1 斷層構造區域支護示意圖

一般區域頂板和兩幫每排分別打6根錨桿，每3排打8根錨索；當巷道掘進至頂板斷層等構造區域時，需要增加錨索數量，增加錨桿支護所形成承載結構的穩定性，每排布置2根錨索，頂板每排打5根錨桿，兩幫每排打3根錨桿。

2）一般區域。

雖然2101工作面兩巷其它區域圍巖也出現了一定的變形，但變形量小。一般區域巷道同樣采用錨網索支護，但支護參數與斷層等構造變形較大區域有所不同，其錨網索參數見表2。

表2 一般區域錨網索支護參數

2101工作面兩巷錨桿之間采用Φ14mm的圓鋼焊制的鋼筋梯子梁連接而成，進一步提高了巷道頂板的支護強度。

2.2 注漿加固

2101工作面兩巷采用注漿加固巷道，保證巷道圍巖的完整性，提高承載能力。選用QB152型便攜式注漿泵，注漿液高水材料。注漿開始后緩慢增加壓力，正常注漿壓力為0.5～1.0MPa，終壓為2.0MPa。根據煤層硬度及地質條件，確定注漿參數見表3。

表3 巷道底板注漿參數

當巷道圍巖相對位移為27mm時，可知圍巖1.5m范圍內已產生松動裂隙，此時為注漿最佳時機，漿液有效擴散范圍將達到2.3m左右。

3 工作面回采支護設計

3.1 支護高度設計

工作面回采后采用液壓支架控制頂板下沉，根據工作面采深、煤層覆存、頂底板性質及經濟成本來選擇合理的液壓支架，其中，對支架的選型起決定作用的是煤層頂板的性質。由于2101工作面回采工作面頂板性質為不穩定—中等穩定，因此你，工作面回采后采用雙柱掩護式支架。

液壓支架所需的高度由采高、頂板性質掘進，根據2101工作面地質條件計算得到支架所需最大高度Hmax為：

式中：Mmax為2101工作面設計最大采高，取值3.0m；S1為2101工作面偽頂厚度，0.2m

根據公式計算可得，支架所需最大高度Hmax=3.2m。

2101工作面支架所需最小高度Hmin為:

式中：Mmin為2101工作面設計最小采高，取值1.9m；S1為2101工作面頂板最大下沉量和支架前移時最小可縮梁，取值0.3m

根據公式計算可得，支架所需最大高度Hmin=2.2m。

3.2 支架工作阻力

2號煤層采用分層開采，上下分層開采時，開采厚度范圍為 1.9～3.0m，則支架的支護高度滿足1900～3000mm，則根據估算法計算2101工作面支架工作阻力P為：

式中：S為支架支護的頂板面積，取7.5m2；Γ為頂板巖層容重，2.6t/m3；Hmax為工作面采高，取3.03m。

將數據帶入公式計算可得支架阻力P=（6～8）×9.8×7.5×2.6×3.03=3475～4632kN

3.3 支護強度

根據回歸經驗計算2101工作面液壓支架支護強度Q1為：

式中：K為備用系數，取值1.3；Mmax為2101工作面設計最大采高，取值3.0m；Γ為2號煤頂板巖層容重，取 26kN/m3。

將數據帶入公式計算可得支架支護強度

根據支架工作阻力計算最大支護強度Q2為：

將數據帶入計算Q2=4632/7.5=0.62MPa。

通過上述兩種方法計算，取其最大值為0.62MPa。

綜合考慮2號煤層賦存條件，2101工作面回采后確定采用ZFS5000/17/33型液壓支架進行支護，其技術參數見表4。

表4 2101工作面液壓支架技術特征表

4 支護效果檢驗

4.1 巷道圍巖變形量

2101工作面兩巷巷采用錨網索支護和注漿加固后，通過在巷道頂板和兩幫設置監測點，監測圍巖變形量來驗證支護效果。支護后，2101工作面膠帶順槽頂板下沉量和兩幫移近量如圖2所示。

圖2 2101工作面膠帶順槽圍巖變形量

由圖2可知，2101工作面軌道順槽采用錨網索支護和注漿加固后，在觀測的4個月時間內，巷道頂板和兩幫圍巖變形量總計分別為28mm、35mm。由此可知，錨網索支護和注漿加固可以有效減小巷道圍巖變形量，提高巷道整體穩定性，為巷道的安全掘進提供了良好的條件。

4.2 錨桿受力情況

2101工作面膠帶支護后，通過監測錨桿受力情況驗證支護效果。分別設置1#和2#兩個觀測斷面，觀測數據見表5。

表5 錨桿受力監測結果

由表5可知，2101工作面采用錨網索支護和注漿加固后，錨桿最大受力值為38kN，小于錨桿設計的50kN錨固力，由此可知，支護取得了良好效果。

5 結 論

1）以青洼礦2101工作面為研究對象，在兩巷采用錨網索支護和注漿加固的措施提高巷道支護強度，分別設計了錨網索和注漿參數；并根據工作面煤層賦存條件和頂板性質，通過公式計算得到工作面回采后采用液壓支架支護的高度、阻力和強度，提出采用ZFS5000/17/33型液壓支架進行支護。

2）通過監測兩巷圍巖變形量和錨桿受力情況驗證支護效果，根據監測結果可知，巷道頂板和兩幫圍巖變形量總計分別為28mm、35mm，錨桿最大受力值為38kN，小于錨桿設計的50kN錨固力，支護取得了良好的效果。