沙坪煤礦1815回撤巷道支護優化設計

穆效治

（山西晉神能源有限公司沙坪煤礦，山西忻州034000）

煤礦開掘巷道在掘進施工前應當對巷道上覆巖層的地質條件與巖性進行探查分析，查清巖層的性質與巖層厚度，同時，可通過鉆孔鉆進取芯的方法，實測其硬度系數，為后期支護提供理論依據[1-3]。一般情況下，我國煤礦對于巷道支護主要采取主動支護、被動支護和復合型支護三種形式，依據不同巖層的穩定性與巖石硬度，可因地制宜地選取不同形式的支護方式，以求達到最經濟可靠的效果。其中，主動支護可通過打設錨桿、錨索對頂板進行補強；被動支護主要通過架設梯形棚或U 型鋼棚來實現頂板支護；近年來多數煤礦普遍適用推廣復合型支護方式，即依靠錨網索配合架棚的方式來延長巷道的使用周期，提高頂板圍巖支護強度，創造安全施工的作業環境。

1 工作面概況

沙坪煤礦主要開采煤層以8#下煤層為主，與其上部相鄰的8#上煤層為近距離煤層。1815工作面順槽為礦井在施工巷道，布置主輔回撤巷道為工作面采閉后回撤設備支架等服務使用，由于上部8#上煤層已回采結束，設計兩條主輔回撤巷道位于8#上煤層遺留煤柱下方，沿8#下煤層底板掘進。1815 工作面8#上、下煤層層間距0.6～4.4m，平均巖層厚度為2.8m，工作面設計走向長度239.7m，對應地面標高1055～1095m，底板標高890～910m，煤層埋深約160～250m。1815 工作面范圍對應上覆8#上煤層18205和18207工作面的采空區，考慮到地面沉降影響和盡量多回收煤炭資源，主輔回撤巷道計劃布置在18207 采空區和18206 采空區之間的煤柱下方，預留煤柱最寬處88m，最窄處68m，主輔回撤巷道之間的凈煤柱留設20m。考慮到上部采空區采閉后動壓尚不穩定及預留薄煤柱的支撐強度影響，預計工作面在掘進期間可能面對應力狀態較高、巷幫成型較差的管理問題。因此，為了加強工程質量管理，確保施工安全，需要對1815主輔回撤巷道掘進層位進行合理布置與優化設計，1815主輔回撤巷道布置示意圖如圖1所示。

圖1 1815主輔回撤通道布置示意圖

2 煤層頂底板巖性

根據初期地面物探資料顯示，1815工作面回采、掘進范圍內構造簡單，無大型褶皺及斷層，在局部裂隙密集發育和小斷層發育地段，需要調整支護方式為短掘短支，補強巷道支護。煤巖層情況：8#下煤層厚度3.6～5.0m，平均厚度4.2m。1815 工作面區域8#下煤層厚度4.5～5.1m，煤結構簡單，穩定夾矸1 層，處于煤層中下部，巖性為白色泥巖，厚度0.1～0.2m。煤層穩定，內生裂隙較為發育，一般為半亮型煤，次為半暗型煤，局部出現暗淡型煤。

8#上、下煤層層間距為0.6～4.4m，平均2.8m，為8#下煤層直接頂，巖性為泥巖，呈黑灰色、致密、具泥質結構，斷口平坦。向上為8#上煤層，平均厚度4m；8#上煤層頂板為砂巖，厚度7.6m；砂巖層上為7#煤，厚度0.5m；7#煤頂板仍為砂巖。直接底為泥巖，呈灰黑色、性脆、致密、具貝殼狀斷口、含星散狀黃鐵礦，產植物化石，厚度2.8m。

3 圍巖強度實測分析

為準確掌握8#下煤層的地應力分布情況，利用類比法，根據1815工作面回撤巷道相鄰工作面的1812主回撤巷道應力測站觀測數據顯示，1#測站最大水平主應力為5.65MPa，最小水平主應力為2.98MPa，垂直應力為2.7MPa。根據應力判斷標準劃分：0～10MPa 為低應力區，10～18MPa為中等應力區，18～30MPa為高應力區，大于30MPa 為超高應力區[2]。結合測站實測應力數值得出結論，1815 回撤巷道設計布置區域地應力場在量值上屬于低應力區。2019 年7 月，沙坪礦在1815 膠運順槽400m 處進行了頂幫巖層強度測試和結構窺視，從窺視結果分析得出結論：

（1）頂板0～2m為8#下煤層，完整性較好。

（2）2.0～4.9m 為 8#上、下煤層間巖層，層間距2.9m，完整性較好。

（3）4.9～9m為8#上煤層，厚4.1m，完整性較好。

（4）9～12m為砂巖，完整性較好。

除此之外，通過對巷道頂幫強度進行設計測試，收集數據后繪制強度分布圖，如圖2、圖3所示。

圖2 1815膠運頂板巖層強度分布圖

由圖2 可知：8#下煤層直接頂即8#上、下煤層預計層間巖層強度為38.99MPa，8#上煤層強度為22.98MPa；由圖3可知：8#下煤層強度為22.62MPa。通過分析：

（1）頂板錨索設計時應盡可能穿過8#上煤層，錨固在質地較堅硬的砂巖中，以便減少頂板移近下沉量；

（2）8#上、下煤層間巖層單軸抗壓強度為38.99MPa，強度較高，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；

圖3 1815膠運幫部煤體強度分布圖

（3）經過現場查看，8#下煤層應力集中時容易片幫，幫部支護需加強，特別是主回撤通道回采幫部出現較嚴重片幫現象，受到側幫壓力較大。

4 支護參數設計

通過對圍巖支護強度的影響因素詳細分析，可進一步提出有效措施加強支護強度。為了減少施工難度，選定1815主輔回撤巷道設計斷面均為矩形，主輔回撤巷道均沿8#下組煤底板掘進，設計巷道掘進寬度5.5m，高度3.6m。通過類比方法，將原掘進相鄰工作面的礦壓應力監測數據進行統計分析，并通過布置測點，在回采期間持續觀察巷道支護的頂幫位移移近量，以及動壓觀測結果，對1815 主輔回撤巷道支護參數進行優化調整，與原支護方案相比，頂板錨桿長度由2500mm 增加到3100mm，錨索長度由7900mm 增加到8300mm，兩幫錨桿長度由2000mm增加到2500mm，同時也加大支護密度和錨固力，從而起到更加牢固的懸頂固幫效果。巷道支護斷面圖如圖4所示。

圖4 巷道支護斷面圖（單位：mm）

5 結論

（1）通過對8#煤上下煤層及頂底板巖性的探查分析，確定了其賦存厚度及堅硬程度，便于明確巷道布置掘進層位的確定，以及錨桿錨索終孔錨固位置的確定。

（2）對圍巖強度經過相鄰巷道經驗值的比對，以及巷道實測觀察數據結果的分析，有效掌握了圍巖強度的量值，有助于了解煤巖層的完成性和應力場分布規律，為巷道設計提供理論指導意見。

（3）按照優化后設計進行掘進期間，需增設觀測點，隨時收集巷道動壓、應力、移近量等參數變化情況，及時做出調整，以確保巷道掘進的安全施工，減少片幫離層對巷道支護的影響，提高巷道使用周期，減少巷修工程量。