29207 工作面巷道支護技術研究

曹克忠

（山西煤炭進出口集團蒲縣萬家莊煤業有限公司， 山西 臨汾 041000）

引言

隨著地質賦存條件簡單的煤炭資源逐漸枯竭，開始開采地質賦存條件較為復雜的煤層，受到礦山壓力和工作面推進影響，工作面巷道圍巖完整性受到破壞，變形較為嚴重，需針對具體的工作面地質環境進行巷道支護技術研究[1]。

巷道支護方式及技術參數的選取尤為重要，若強度太高，會浪費支護材料，造成成本增加；若強度太低，造成巷道圍巖變形嚴重，影響掘進速度，嚴重時造成安全事故[2]。目前針對亞辰煤業29207 工作面皮帶巷頂底板具體地質條件進行支護技術研究。

1 工程概況

亞辰煤業有限公司位于山西呂梁離石市，礦井井田面積1.5 km2，可采煤層為8 號、9 號，根據設計能力60 萬t/ 年，井田內規劃工作面布置18 個。29207 工作面地面標高977～962 m，工作面標高672～708 m。對應地面位置：該工作面對應地位于工業廣場以北，區域地表以黃土梁、峁為主，其次為黃土溝谷的沖溝，切割強烈，溝谷縱橫。主要出露地層為Q2+3、N2。經調查地面無建筑物。

29207 工作面井下位置及四鄰采掘情況：工作面位于9 號煤層左翼，北西與泰業煤業相鄰（保安煤柱40 m），東與29206 采空區相鄰，南與工業廣場相鄰；對應上方間隔6.72～10.62 m 為8 號煤層28206工作面采空區。工作面所采煤層為9 號煤層，屬穩定可采近水平厚煤層，煤層傾角5°～7°，平均6°，煤厚3.9～4.5 m，平均4.2 m，工作面頂底板巖性如表1 所示。

2 巷道布置

2.1 平面布置

29207 工作面位于9 號煤左翼盤區，根據工作面布置情況及西山煤電函〔2019〕264 號關于山西呂梁離石西山亞辰煤業有限公司工業廣場保護煤柱變更設計的批復意見，同時考慮通風的工作能力等，設計工作面長度為94 m。

表1 工作面頂底板巖性表

工作面走向長度根據29207 皮帶順槽開口位置到井田邊界保安煤柱線的長度來決定，29207 皮帶順槽開口位置到井田邊界保安煤柱線的最近距離為205 m，工作面切眼一端與井田邊界保安煤柱線相交，軌道順槽設計長度199 m、皮帶巷設計長度為205 m。

2.2 剖面布置

29207 工作面兩巷位于9 號煤層，上覆8 號煤層8.6～10.6m，巷道最大坡度5°，最小坡度2°，平均4°。

3 巷道斷面確定

根據亞辰煤業29207 工作面煤層賦存情況及巷道功能屬性，采用梯形斷面巷道。

3.1 巷道凈寬

巷道從一側需1.0 m 的人行道，另一側需0.5 m的安全間隙。

式中：B 為巷道凈寬；a 為非人行道側膠帶輸送機距巷幫之間的距離，取0.5 m；b 為膠帶輸送機寬度，取1.4 m；c 為人行道側膠帶輸送機距巷幫之間的距離，取1.0 m

將數據代入上式可得B＝2.9 m。

綜合考慮最寬設備（轉載機電機、破碎機）錨桿外露長度、管線吊掛及巷道受壓變形等因素，同時考慮要在皮帶巷內進行探放水鉆孔的布置，巷道凈寬取3.45 m。

3.2 巷道高度

該工作面9 號煤層為厚煤層，煤層厚度3.80～4.55 m，平均4.3 m。工作面跟底留頂煤掘進，取巷道高度2.6 m。按設備最大高度驗算：

式中：h1為設備高度，取1.9 m；h2為設備頂部安全距離，取0.3 m；h3為錨索外露長度，取0.2 m；

將數據代入上式可得H=2.4 m，能滿足設備要求。

3.3 巷道凈斷面

S＝（上寬+下寬）×高/2=（3+3.9）×2.6/2＝8.97 m2。

3.4 按風速進行驗算

式中：Q皮為皮帶巷設計配風量，832 m3/min；V皮為正巷風速，V皮=Q皮/（60×S）＝832/（60×8.97）=1.6 m/s

因《煤礦安全規程》規定掘進工作面半煤巖巷、煤巷風速為0.25～4 m/s，故皮帶巷斷面設計合理。

4 巷道支護方式（見圖1）

4.1 巷道支護參數

根據9 號煤層頂板狀況及相鄰工作面經驗，兩巷均采用錨桿、錨索、工字鋼棚聯合支護。具體參數如下：

頂錨桿采用Φ20 mm×2 200 mm 高強左旋螺紋鋼錨桿，每孔采用2 支K2360 型樹脂藥卷錨固，幫錨桿采用Φ20 mm×2 200 mm 高強左旋螺紋鋼錨桿，每孔采用1 支K2360 型樹脂藥卷錨固，托盤采用140 mm×140 mm×10 mm 鼓型托盤。上下幫角位置錨桿應按一定角度予以施工。頂部錨桿、錨索間距為800 mm，排距為800 mm，每排錨桿都用長度為3 050 mm 的鋼筋梯相連，幫部錨桿間距為900 mm，排距為1 000 mm，每排錨桿都用長度為1 850 mm鋼筋梯相連。

錨索采用Φ17.8×6 200 mm 的鋼絞線，點錨索托盤采用300 mm 長的18 號槽鋼梁，錨具采用鎖芯為三瓣的鎖具，鎖具與鋼梁之間要墊一個140 mm×140 mm×10 mm 的平托盤，錨索在頂板上布置方式為對錨索布置，排距1 000 mm。每根錨索采用3 支K2360 型樹脂藥卷錨固。11 號工字鋼梯形棚布置在錨桿（索）中間，排距800 mm。

工字鋼棚為11 號工字鋼。W 鋼帶長度為3 500 mm。頂金屬菱形網規格長×寬為3 150 mm×1 200 mm；采用14 號鐵絲隔3 孔編織連接。幫金屬菱形網規格長×寬為10 m×1.2 m；采用14 號鐵絲隔3 孔編織連接。

圖1 巷道支護方式圖（單位：mm）

4.2 支護設計參數驗算

4.2.1 錨桿參數驗算

4.2.1.1 錨桿長度

式中：L桿為錨桿長度，m；L1為錨桿外漏長度，取0.15 m；L2為錨桿有效長度，取0.8 m；L3為錨桿錨固長度，取0.4 m；

代入可得L桿=1.35 m，所取錨桿長度2.2 m，可以滿足需求。

4.2.1.2 錨桿直徑

根據桿體承載力與錨固力等強度原則計算桿體直徑D：

式中：σt為桿體材料抗拉強度，取490 MPa；Q 為錨固力，取105 kN。

帶入計算公式可得D=16.44 mm，所取錨桿直徑為20 mm，可以滿足需求。

4.1.2.3 錨桿間排距

錨桿間排距s1、s2按錨桿等距排列：

式中：γ 為容重，取25 kN/m3；K 為錨桿安全系數，取2。

代入數據：s1=s2=1.32 m，因該數據大于實際頂、幫部錨桿間排距，所取錨桿間排距可以滿足需求。

4.2.2 錨索參數驗算

4.2.2.1 錨索長度

錨索長度可參考下式確定：

式中：L索為錨索長度，m；L4為錨索外露長度，取0.4 m；L5為潛在的不穩定巖層高度，m；L6為錨索錨固長度，取2.2 m。

根據9 號煤層圍巖地質特征，錨索最好能夠錨固在較穩定的巖層中，即錨固在8 號煤層底板粉砂巖中。8 號煤層已經開采完畢，上覆圍巖的垮落導致8 號煤層底板圍巖產生裂隙，這不利于錨固劑發揮錨固特性，因此潛在的不穩定巖層高度L5為3 m。因此錨索長度L=0.4+3+2.2=5.6 m，所取錨索長度為6.2 m 可以滿足需求。

4.2.2.2 錨索密度

對于一般巷道，每2～3 排錨桿布置1～2 根錨索比較可行。但考慮到回采和煤柱集中支承壓力導致巷道圍巖破碎范圍擴大，因此需要適量增大錨索數量，即巷道頂板、兩幫每2 排錨桿布置3～4 根錨索。

以29201 工作面軌道巷為例，頂板長度為3.35 m，在沿巷道軸向1.6 m 范圍內，安裝了7 根錨桿和3根錨索。經查錨桿的抗拉強度為340 MPa，Φ17.8mm的錨索拉斷載荷為353 kN，因此，巷道頂板的支護阻力理論值為：（106.76×7+353×3）/（3.35×1.6）=0.337 MPa.

而僅采用錨桿進行頂板支護時，支護阻力為：

（106.76×10）/（3.35×1.6）=0.119 MPa.

可見，安裝錨索后，巷道頂板的支護阻力為全錨桿支護的2.83 倍。

4.2.3 工字鋼棚參數設計

在設計中采用了工字鋼棚進行加強支護，雖然棚式支護屬于“被動”支護，基本不具有初撐力，只是在圍巖變形后，隨著圍巖變形的增加支架支護阻力隨之增加，但是通過架設工字鋼棚，可以加強巷道表面支護強度，確保巷道表面圍巖穩定。工字鋼棚架設的位置主要考慮到工字剛棚架設與錨桿索之間不相互干擾，因此工字鋼棚的排距設置為800 mm，安裝在每兩排錨桿之間。工字鋼棚型號為礦上現有的11號工字鋼棚。

5 工業試驗

亞辰煤業29207 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45 m 設置一個測站，分別記錄巷道兩幫及頂底板變形量。

由圖2 可知，在工作面回采期間，兩幫移近量穩定在117 mm，頂底板移近量穩定在57 mm，完全可以保證巷道安全穩定，保障工作面的正常回采需求。

圖2 巷道變形量分析

6 結論

針對亞辰煤業29207 工作面巷道支護等問題，根據巷道布置以及煤層賦存情況，設計巷道均采用梯形斷面，斷面尺寸為：上寬3.0 m，下寬3.9 m，凈高2.6 m；通過9 號煤層頂板狀況及相鄰工作面支護經驗，兩巷均采用錨桿、錨索、工字鋼棚聯合支護。具體結果如下：

1）頂錨桿采用Φ20×2 200 mm 高強左旋螺紋鋼錨桿，幫錨桿采用Φ20×2 200 mm 高強左旋螺紋鋼錨桿，托盤采用140 mm×140 mm×10 mm 鼓型托盤。錨桿間排距800 mm×800 mm。

2）錨索采用Φ17.8 mm×6 200 mm 的鋼絞線，鎖具與鋼梁之間要墊一個140 mm×140 mm×10 mm的平托盤，排距1 000 mm。

3）通過現場工作面實際應用變形量監測，證明此支護方案可以保證29207 工作面巷道的安全穩定。