西銘礦48705 工作面單軌吊巷支護技術優化研究

劉云鶴

（山西西山煤電股份有限公司西銘礦，山西太原 030052）

0 引 言

西銘礦北七采區主采8 號和9 號煤層，目前布置完成48707 和48709 2 個工作面，且2 個工作面均尚未開始回采，后期采區預計還要布置9~10 個工作面，是西銘礦未來開采的重點區域，因此選擇北七采區48705 工作面單軌吊巷進行錨桿支護技術研究具有典型的代表意義。北七采區8 號煤層由于煤層條件復雜，8 號上煤和8 號煤之間含有1 層平均厚度約為2.5 m 的頁巖夾矸，該層夾矸厚度變化不定，縱向節理發育，導致8 號煤層巷道布置困難，存在巷道掘進和工作面回采雙重矛盾相互制約。一方面，若巷道沿8號煤層頂板布置，雖然巷道支護和維護難度較小，但是后期工作面回采會造成煤質較差、煤炭資源大量浪費的困境；另一方面，若巷道沿8 號煤層底板掘進，可解決工作面回采問題，但是巷道在掘進過程中面臨頂板條件差，支護難度較大的現象[1~3]。

針對上述情況，西銘礦選擇8 號煤層48705 工作面單軌吊巷作為第1 條示范巷道，研究西銘礦北七采區8 號煤層巷道合理支護技術參數及支護方案，解決北七采區8 號煤層開采和支護難題，進行合理巷道掘進方式選擇，以及對應巷道支護技術研究，從而為工作面安全、合理、高效的生產提供技術支持。

1 工程概況

1.1 工作面概況

48705 工作面位于西銘礦北七采區，巷道位于8號煤層，如圖1 所示，48705 工作面井下位于北七采區左翼，東為48703 工作面（未布置），南為北七左翼回風巷，西為48707 工作面（中對中煤柱尺寸25 m），北為隨老母斷層。48705 工作面巷道全長1 683 m，目前單軌吊巷已經掘進420 m 左右，皮帶巷目前尚未開始掘進，單軌吊巷道斷面呈矩形，巷寬5.0 m，巷高3.8m。試驗工作面上覆2 號煤已回采，北部2 號煤及3 號煤為小窯所采，2 號煤與 8 號煤層間距 85 m，3 號煤與8 號煤層間距66 m。

圖1 巷道平面布置示意圖

1.2 煤層及頂底板條件

8 號煤層平均傾角為4°，平均厚度為3.09 m，煤層結構復雜，節理較發育，煤層中下部含有一層0.28m 厚的夾矸。8 號煤層上方是一層泥巖夾矸，平均厚度2.1 m，灰黑色，層理節理發育，含植物化石碎片，較破碎易冒落。其上部為8 號上煤，平均厚度為0.55m。再往上是石灰巖頂板，平均厚度2.1 m，深灰色，上部為炭質泥巖，下部質較純，含方解石，致密堅硬，局部裂隙發育。再往上就是為泥巖，平均4.74 m。再往上為石灰巖，平均厚度6.57 m，致密塊狀，含方解石及黃鐵礦晶體，中部加薄層鈣質頁巖。8 號煤層直接底為砂質頁巖，平均厚度2.5 m，節理發育，頂、底部有薄層頁巖，含植物化石碎片，局部變相為細砂巖。往下為9 號煤層，平均厚度3.3 m，9 號煤層底板是平均厚度為1.82 m 的泥巖。

2 支護現狀分析

根據井下調研情況，目前西銘礦北七采區48705工作面和48707 工作面單軌吊巷均沿8 號上煤層頂板（石灰巖底板）布置，而48709 工作面單軌吊巷沿8號煤層頂板（夾矸的底板）集中布置，巷道支護設計方案相差較大，具體情況如下。

2.1 48705 工作面和48707 工作面單軌吊巷

48705 和48707 單軌吊巷目前均沿8 號上煤層頂板，即石灰巖底板進行掘進，目前48707 工作面已經全部貫通形成，而48705 單軌吊巷道目前已經掘進超過400 m。巷道采用矩形斷面，尺寸為5.0 m×3.8m，巷道斷面大小19 m2，采用錨桿支護。頂板頂錨桿間排距為1 500 mm×1 500 mm，幫錨桿間排距為1 500 mm×1 400 mm。頂錨桿采用φ20 mm×2 200 mm 的左旋無縱肋螺紋鋼錨桿，并配套碟形鐵托片，托片規格為110 mm×110 mm×10 mm。幫錨桿采用φ20 mm×1 800 mm 的左旋無縱肋螺紋鋼錨桿，并配套采用10 號菱形金屬網護幫。

北七采區8 號煤層巷道采用上述布置方式及巷道方案之后，通過井下調研發現，由于煤層頂板為石灰巖，強度高，完整性好，因此巷道支護難度較小，僅采用單體錨桿配合托盤就能很好的維護頂板的完整性，支護強度和支護密度均比較低，間排距為1.5 m，頂板完好，現場來看巷道變形量很小，但是由于巷道兩幫大部分為8 號上煤和8 號煤之間的頁巖夾矸，硬度明顯高于煤幫，頁巖夾矸縱向節理比較發育，存在幫錨桿鉆孔鉆進困難，導致巷道兩幫施工和維護難度相對較大，現場也出現部分區域巷道兩幫出現鼓包狀況，不過整體來看，對巷道影響較小。

2.2 48709 工作面單軌吊巷

48709 工作面單軌吊巷沿8 號煤層頂板，即8 號煤層夾矸的底板進行掘進，目前工作面已經全部布置完成。48709 工作面單軌吊巷頂板采用螺紋鋼樹脂錨桿、錨索、鋼帶、鋼筋網聯合支護，兩幫采用螺紋鋼樹脂錨桿、鋼筋鋼帶、金屬網護幫。頂錨桿每排布置5 根錨桿，規格為φ20 ~ 2 200 mm，間排距為1.1m×1.0m，配合采用W 鋼帶，厚度為3 mm，寬度為220 mm，長度為4.6 m，配套采用錨桿托盤，規格為110 mm×110 mm×10 mm。頂錨索采用“二二”間隔布置，規格為φ17.8~5 400mm，間排距為2.5 m×2.0 m，配合采用300 mm×300 mm×16 mm 厚度的錨索平托盤。采用鋼筋網護頂。幫錨桿每排布置3 根錨桿，規格為φ20~1 800 mm，間排距為1.4 m×1.0 m，配套采用鋼筋梯梁和錨桿托盤，托盤規格為110 mm×110 mm×10 mm，采用菱形金屬網護幫。

通過對48709 工作面單軌吊巷現場調研的情況來看，巷道采用托夾矸頂板進行掘進，通過采用礦方上述的巷道支護方案之后，基本能夠較好的控制巷道圍巖變形和破壞，現場來看：巷道頂板和兩幫均比較齊整，出現巷道變形和破壞的情況較少，巷道變形量穩定可控，說明現在的支護能夠很好的控制住頂板巷道圍巖移近和變形，同時支護體受力的破壞的狀況也不多，未見錨桿錨索破斷現象，說明現有的支護體強度能夠滿足巷道支護的需要。

3 巷道掘進方式的選擇

對于西銘礦北七采區來說，選擇合理的巷道掘進方式成為影響巷道掘進和工作面回采的關鍵問題。48705 單軌吊巷巷道寬度和高度為5.0 m×3.8 m，48705 單軌吊巷掘進有2 種方式可供選擇：①沿8 號上煤層頂板掘進，即巷道頂板為石灰巖；②沿8 號煤層頂板掘進，即巷道頂板為頁巖夾矸。

3.1 數值計算分析

采用FLAC3D數值模擬軟件，模擬不同巷道掘進方式條件下，通過對巷道圍巖應力狀態、圍巖破壞變形情況變化規律進行綜合對比分析。分別模擬了48705 工作面單軌吊巷沿8 號上煤層頂板以及8 號煤層頂板掘進2 種不同條件下，巷道圍巖應力及圍巖破壞分布特征，計算結果如圖2、3、4 所示。

如圖2 所示，巷道沿8 號煤上煤層頂板掘進時，巷道圍巖應力集中主要分布在頂板2 個角，是由于石灰巖頂板強度遠遠超過巷道底板和兩幫。當巷道沿8號煤層頂板掘進時正好相反，巷道圍巖應力集中分布在底板2 個角，是由于改變掘進方式后，頂板由石灰巖變為頁巖夾矸，頂板強度降低容易變形，沒有發生應力集中，底板砂巖強度高易產生應力集中。

圖2 不同巷道掘進方式圍巖垂直應力分布狀態

圖3 不同巷道掘進方式圍巖水平應力分布狀態

從圖3 可以看出，沿8 號上煤層頂板掘進圍巖水平應力也在巷道頂板產生明顯應力集中效應，頂板最大應力達到14 MPa，與之相反，沿8 號煤層頂板掘進圍巖水平應力在巷道底板產生明顯應力集中效應，這也是采用不同巷道掘進方式，圍巖不同分布特性所導致的。

圖4 不同巷道掘進方式圍巖塑性破壞區分布狀態

由圖4 可知，當巷道沿8 號上煤層頂板掘進時，巷道圍巖變形破壞范圍較小，僅僅在局部區域發生圍巖的塑性破壞，巷道支護難度較小；巷道沿8 號煤層頂板掘進時，此時巷道變形破壞范圍有所增大，主要變形為巷道頂板和底板破壞區域和范圍均有所加大，

3.2 巷道掘進方式對比分析

3.2.1 巷道掘進

如果巷道沿8 號上煤層頂板掘進，頂板是石灰巖時，此時由于夾矸平均厚度為2.67 m，屬于半煤巖巷道。巷道掘進揭露的圍巖分別為8 號上煤，頁巖夾矸和部分8 號煤層，由于頁巖夾矸的存在，且夾矸厚度較大，其硬度要明顯高于8 號煤層，對掘進設備提出了較高的要求，要求具有較高的掘進設計功率和掘進機破巖能力。

如果巷道沿8 號煤層頂板掘進，頂板為頁巖夾矸時，此時巷道掘進過程中需要掘進3.0 m 厚的8 號煤以及0.8 m 厚的砂巖底板，屬于全煤巷道，相比較而言，煤層的硬度要明顯低于頁巖夾矸的硬度，因此對掘進設備的要求較低。

3.2.2 巷道支護

如果巷道沿8 號上煤層頂板掘進，頂板是石灰巖時，由于石灰巖硬度較大，可以說巷道頂板支護難度較小，支護強度和密度均比較小，但導致頂板鉆孔施工難度非常大，影響巷道支護速度。

如果巷道沿8 號煤層頂板掘進，頂板是頁巖夾矸，兩幫均為8 號煤實體煤，對于巷道支護來說，對巷道支護的強度和密度提出了較高的要求，但使用普遍的MQT120 型錨桿鉆機，能夠輕松實現快速鉆進。由于沿8 號煤層頂板掘進，普遍要施工頂錨索，由于錨索鉆孔較長，施工速度相對較慢，給巷道支護速度帶來不利的影響。

采用不同的巷道布置方式，綜合權衡巷道掘進和支護雙重影響，沿8 號上煤層頂板掘進，雖然頂板和兩幫均為巖石，施工難度大，速度慢，但是巷道支護相對簡單，根據礦方統計，每個月平均進尺約450 m 左右，而沿8 號煤層頂板掘進，雖然頂板巖石強度也相對較低，施工難度簡單，速度相對較快，但是由于頂板錨桿錨索支護相對復雜，每個月平均進尺約為350 m左右。

綜上所述，對于具體情況采用哪種巷道布置方式，要依據巷道圍巖條件來恰當的選擇，以達到最佳的社會經濟效益。因此，建議在正常情況下，優先選擇沿8 號煤層頂板進行掘進，同時在其他情況下，若出現8 號煤層厚度增加，而頁巖夾矸厚度較小時，此時建議將巷道沿8 號上煤層頂板進行掘進。

4 巷道支護方案設計

4.1 方案一：48705 單軌吊巷沿8 號煤層頂板掘進

48705 單軌吊巷建議優先選擇沿8 號煤層頂板進行掘進，選擇標準為：當8 號上煤層和頁巖夾矸厚度之和超過2 m 時，此時48705 單軌吊巷建議沿8號煤層頂板掘進，支護設計方案選擇設計方案一進行執行。

4.1.1 頂板支護

1）錨桿：采用長2 m、桿尾螺紋為M22、錨桿尾部螺紋段長度不小于100 mm 的φ20 mm 左旋無縱筋螺紋鋼筋。采用CK2360 和K2380 樹脂全長錨固。采用W 鋼帶，采用厚度為3 mm，寬度為210 mm，長度為4 600 mm 的W 鋼帶護頂。

2）錨桿配件：采用高強錨桿螺母M22×2.5，配合高強托板調心球墊和尼龍墊圈，托盤采用拱型高強度托盤，規格為110 mm×110 mm×10 mm，承載能力不低于186 kN。

3） 錨索：錨索形式和規格：錨索材料為φ17.8mm，17 股高強度低松弛預應力鋼絞線，錨索長度選擇 3.3 ~ 5.3 m，鉆孔直徑28 mm，采用1 支CK2360 和2 支K2380 低粘度樹脂藥卷錨固。

4）錨索托盤：采用250 mm×250 mm×12 mm 拱形錨索托板及配套鎖具。

5）錨索布置：采用“二一二一”間隔布置，排距1 100 mm，間距2 200 mm，垂直頂板巖層。

4.1.2 兩幫支護

錨桿：采用長2 m、桿尾螺紋為M22、錨桿尾部螺紋段長度不小于100 mm 的φ20 mm 左旋無縱筋螺紋鋼筋。采用K2380 樹脂全長錨固。采用厚度3 mm，寬度210 mm，長度為400 mm 的W 鋼護板護幫。

4.2 方案二：48705 單軌吊巷沿8 號上煤層頂板掘進

方案二適用于48705 單軌吊巷沿8 號上煤層頂板掘進，巷道頂板為石灰巖，正常地段巷道采用的支護方案。

4.2.1 頂板支護

錨桿：采用長1.8 m、桿尾螺紋為M20、錨桿尾部螺紋段長度不小于100 mm 的φ18 mm 左旋無縱筋螺紋鋼筋。采用CK2360 和K2380 樹脂全長錨固。采用W 鋼帶，采用厚度為3 mm，寬度為210 mm，長度為4 600 mm 的W 鋼帶護頂；

錨桿配件：采用高強錨桿螺母M20×2.5，配合高強托板調心球墊和尼龍墊圈，托盤采用拱型高強度托盤，規格為110 mm×110 mm×10 mm，承載能力不低于186 kN。

4.2.2 兩幫支護

錨桿：采用長1.8 m、桿尾螺紋為M20、錨桿尾部螺紋段長度不小于100 mm，φ18 mm 左旋無縱筋螺紋鋼筋。采用K2380 樹脂全長錨固。采用厚度3 mm，寬度210 mm，長度為400 mm 的W 鋼護板護幫。

5 結束語

1）闡述了西銘礦48705 工作面單軌吊巷現有支護方式及存在的問題。

2）通過數值分析，了解掌握了不同巷道掘進方式圍巖應力、圍巖破壞情況，分別從巷道掘進、巷道支護等不同角度方面對比分析了采用不同巷道布置形式下的優缺點。

3）最后針對西銘礦48705 工作面單軌吊巷2 種方案下的具體支護參數進行了設計。