工作面煤巷支護狀況監(jiān)測及優(yōu)化研究

侯志鵬

（山西高平科興牛山煤業(yè)有限公司， 山西 高平 048400）

引言

綜采工作面的回采巷道為整個礦井的重要組成部分，巷道的安全性在很大程度上受制于其所采用的支護方案，進而影響整個礦井的生產效率和安全性。眾所周知，煤巷在最初的支護設計均是在勘探的基礎上完成的，而勘探結果與實際煤巷情況存在一定的差距，進而導致煤巷支護存在欠支護或過支護的狀態(tài)，造成工作面的安全性減弱或支護材料的浪費[1]。因此，需加強對煤巷支護狀況的監(jiān)測，并根據監(jiān)測結果實時、有效地對支護參數進行優(yōu)化，以確保煤巷的真正的安全性。

1 工程概況

牛山煤礦開采方式為地下開采，生產規(guī)模120萬t/a，有效期限為24a，可開采煤層為3#—15#煤。井田內可采煤層為 3、9、15 號煤層，3、9、15 號均為全區(qū)穩(wěn)定可采煤層，其中3 號煤為井田內主要的可采煤層，位于山西組的下部，井田四周均有風化剝蝕。煤層厚 0～9.17 m，平均 5.71 m，含夾矸 0～3 層，一般0～2 層，結構簡單，為全井田穩(wěn)定可采煤層。經探測可知，3 號煤層所屬工作面的首采面回風順槽的頂底板情況如表1 所示。

根據晉科司發(fā)[2018]625 號文《山西科興能源發(fā)展有限公司關于2018 年度礦井瓦斯等級鑒定審查結果的通知》：該礦瓦斯絕對涌出量為5.68 m3/min，掘進最大絕對涌出量為0.25 m3/min，二氧化碳絕對涌出量為3.79 m3/min，批復為低瓦斯礦井。

2 煤巷支護狀況的監(jiān)測

為全面檢查巷道錨桿支護的工作狀態(tài)，監(jiān)控巷道受到采動影響前后的狀況，掌握圍巖的變形規(guī)律，以確定巷道的穩(wěn)定程度，以便及時采取相應的處理措施，并且通過監(jiān)測來驗證設計的合理性，檢驗支護質量，同時為修改設計提供科學依據[2]。為此，設計礦壓觀測斷面，并對煤巷頂板離層量、深部位移以及錨桿和錨索的工作載荷進行監(jiān)測。支護現狀：所選頂錨桿的直徑為18 mm，長度為2 600 mm，錨桿間距為1 200 mm，排間距為1 200 mm，每排錨桿的數量為5根，錨桿類型為左旋無縱筋螺紋錨桿；所選幫錨桿的直徑為18 mm，長度為2 100 mm，錨桿間距為1 000 mm，排間距為1 200 mm，每排錨桿的數量為4根，錨桿類型為玻璃錨桿。

表1 3 號煤層工作面頂底板情況

2.1 監(jiān)測方案的設計

根據現場圍巖變形情況每50～60 m 設一處測站（為監(jiān)測斷層附近或特殊圍巖條件的巷道變形，觀測斷面間距可以適當擴大和縮小），觀測點應在巷道掘出后及時布設，頂板離層觀測每30～50 m 在巷道頂板中部設一離層指示儀。

頂板離層監(jiān)測方案：采用頂板離層儀和鉆孔窺視儀進行觀測，鉆孔窺視儀可以直接觀察7 m 深鉆孔的巖層結構、層理、各類弱面和離層情況。

深部位移監(jiān)測方案：巷道圍巖深部位移觀測采用深基點位移計進行觀測，每個測面安設1 個深基點位移計。安設當天進行第一次測量，以后每天觀測一次，一個月后3 d 觀測一次。

錨桿錨索工作載荷監(jiān)測方案：本測試采用錨桿、錨索應力計進行。使用時，首先將壓力盒套在錨桿、錨索托盤和外錨頭的螺母之間，然后緊固螺母，對錨桿、錨索施加預應力，記錄下壓力盒指示的初始值，此后，每天量測一次，在采煤工作面推進至距頂板錨桿應力計20 m 的范圍內后，要加強觀測，發(fā)現異常及時匯報。每個測站選擇兩根錨桿、錨索布置兩個應力計[3]。

2.2 煤巷支護狀況監(jiān)測結果分析

2.2.1 頂板離層量的監(jiān)測

根據上述的監(jiān)測方案進行布置，所得的監(jiān)測結果如圖1 所示。

圖1 頂板離層量監(jiān)測結果

如圖1 所示，所設計的7 m 鉆孔中分別距離煤壁為 0.5 m、1 m、1.5 m、2 m、2.5 m、3 m、3.5 m、4 m、4.5 m、5 m、5.5 m、6 m、6.5 m 以及 7 m 的離層量進行監(jiān)測。分析圖1 可知，當距離工作面越遠時頂板幾乎不受采動的影響，最大離層量為2 mm；但是，當距離工作面的距離小于50 m 時，頂板的下車速度明顯增加，且距離煤壁越遠離層量越大，最大離層量可達22 mm。

2.2.2 深部位移的監(jiān)測

根據上述方案進行布置，所得深部位移的監(jiān)測結果如圖2 所示。

圖2 煤巷深部位移監(jiān)測結果

如圖1 所示，當距離回采工作面大于53 m 時，其頂板下沉量和兩幫位移量變化范圍較小，可認為在距離回采工作面53 m 以外的工作面處于穩(wěn)定狀態(tài)；當距離回采工作面小于53 m，即越靠近工作面，頂板下沉和兩幫變形越嚴重，其中頂板的最大下沉量可達30 mm，兩幫最大變形量可達38 mm。

2.2.3 錨桿工作載荷的監(jiān)測

根據上述方案進行布置，所得錨桿的工作載荷監(jiān)測結果如表2 所示。

如表2 所示，目前支護方式下錨桿錨固力達不到設計要求，及錨桿支護的效果較差。

表2 錨桿工作載荷監(jiān)測結果 kN

3 煤巷支護狀況的優(yōu)化

結合“2”中對工作面支護狀況的監(jiān)測結果需對錨桿和錨索支護參數進行重新設計[4]。采用理論計算手段結合首采回風順槽的實際情況實現對煤巷支護狀況的優(yōu)化，優(yōu)化后的支護效果如圖3 所示。對煤巷支護優(yōu)化后的具體參數如下：

圖3 煤巷支護的優(yōu)化示意圖（單位：mm）

1）針對頂板支護采用錨桿與錨索的聯合支護方式。其中，頂錨桿的直徑為22 mm，錨桿長度為2 400 mm，錨桿類型為左旋螺紋鋼高強錨桿，錨桿間距為1 150 mm，錨桿排間距為1 000 mm，每排錨桿的數量為5 根；采用加長樹脂錨固劑（K2335 和Z2360）對錨桿進行錨固，保證鉆孔的直徑不大于30 mm；要求錨桿的預緊力大于300 N·m[5]；為保證錨桿的支護效果，在上述基礎上增加規(guī)格尺寸為100 mm×100 mm 的鋼筋網，總長度為5.2 m，寬度為1.5 m。錨索的直徑為17.8 mm，長度為6 300 mm，錨索間距為2 300 mm，錨索排間距為2 000 mm；采用1 卷K2335 和2 卷Z2360 樹脂錨固劑對錨索進行錨固，要求錨索預緊力大于300 kN。

2）針對兩幫支護采用錨桿支護方式。其中，頂錨桿的直徑為22 mm，錨桿長度為2 400 mm，錨桿類型為左旋螺紋鋼高強錨桿（煤柱幫）和玻璃錨桿（開采幫），錨桿間距為1 100 mm，錨桿排間距為1 000 mm，每排錨桿的數量為4 根；采用Z2360 錨固劑對錨桿進行錨固，保證鉆孔的直徑不大于30 mm；要求錨桿的預緊力大于300 N·m；為保證錨桿的支護效果，在上述基礎上增加規(guī)格尺寸為100 mm×100 mm的鋼筋網，總長度為4.1 m，寬度為1.5 m。

4 結語

一直以來，綜采工作面的支護效果直接決定煤礦生產安全性和效率。在實際開采或掘進中，巷道的支護狀態(tài)處于動態(tài)變化范圍，需定期對煤巷的支護狀況進行監(jiān)測，并結合煤巷最新的地質、水文等條件對支護參數進行優(yōu)化設計，以保證綜采工作面的安全、高效生產。