龍宮煤礦2號煤層運輸巷道支護參數的研究

劉培東

（山西華融龍宮煤業有限責任公司，山西 忻州 034000）

引言

由于煤礦資源主要分布在不同地層中，而煤層的地質環境及構造情況相對復雜，需對煤層巷道進行支護施工設計。巷道支護設計的不準確或不合理，將會導致巷道出現坍塌事故，嚴重影響著工作面及人員安全[1]。因此，在煤礦開采前，需根據巷道的地質情況進行最佳的支護參數設計，這對保證整個工作面巷道的支護強度及安全性至關重要。為此，以龍宮煤礦5號煤層為分析對象，在對其煤層堅固性進行測定后，開展了該運輸巷道支護參數的數值模擬分析和支護參數的設計計算，并將該些支護參數應用到了巷道的實際施工操作中，從而大大提高了該工作面中運輸巷道的安全性，具有重要的實際指導價值。

1 2號煤層的提前測定

1.1 2號煤層概況

龍宮煤礦2號煤層位于太原組中下部，煤層厚度2.00～5.34 m，平均3.86 m，屬中厚煤層。厚度變異系數為37%，可采性指數為1.00，定量評定為較穩定煤層。最厚處位于井田的中部，全區可采[2]。一般含0～2層夾矸，夾矸單層厚度0.17～0.45 m，結構較簡單，定性評定為穩定煤層。根據定性及定量評定2號煤層穩定性綜合評定為穩的全區可采煤層。直接頂板為砂巖，老頂為細砂巖，底板為細砂巖。該煤層為礦井主采煤層，井田內上部大部采空。

1.2 煤層中煤樣堅固性測定

煤的堅固性是煤的各種性質所決定的抵抗外力破壞能力的一個綜合性指標，用堅固性系數f表示。本標準采用搗碎法測定堅固性系數f值。故采用各類儀器設備，開展了該煤層中煤樣堅固性的測定[3]。實驗所需設備包括：搗碎筒、計量筒、分樣篩（孔徑20 mm、30 mm和0.5 mm各一個）、天平（最大稱重1 000 g，感量0.5 g）、小錘、漏斗、容器。部分儀器如圖1所示。采用分樣篩，將所采樣的煤層巖石根據不同粒徑大小，分為了A、B、C三組，每組5份，如圖2所示，由此，開展了煤樣的堅固性系數測試。

圖1 巖石的堅固性系數測試儀器

圖2 選取的煤樣

經過測定，得到三組煤樣堅固性系數的測定結構，如表1所示。實驗結果可以看出，3組煤樣的堅固性系數分別為0.66、0.68、0.58，平均值為0.64。因此，龍宮煤礦2號煤層強度相對較低，在巷道建設過程中需進行支護參數的重點設計分析。

表1 煤的堅固性系數測定結果

2 運輸巷道支護參數的數值模擬分析

結合前文煤樣的堅固性系數測定可知，龍宮煤礦2號煤強度相對較低，為此，開展了運輸巷道的支護參數數值模擬分析研究。

2.1 運輸巷道數值模型建立

本次數值模擬以龍宮煤礦實際地質條件為依據，建立22101工作面運輸巷道數值模型，按照設計的支護參數方案，對巷道進行支護[4]，如下頁圖3所示為兩種支護方案條件下22101工作面運輸巷道數值模型，2號煤層平均厚度3.86 m，直接頂砂巖厚度為3.8 m。數值模型兩側、底部和前后界面進行位移和應力邊界約束，平均埋深約270 m，模型頂部界面施加初始垂直載荷σz=6.75 MPa，兩側界面施加初始水平應力σx=σy=8.1 MPa，運算采用摩爾-庫侖本構準則。

圖3 運輸巷道數值模型

2.2 數值模擬結果

2.2.1 運輸巷道錨桿（索）應力分布特征對比

通過對運輸巷道工作面不同支護方案的數值模擬分析，得到了巷道中錨桿（索）應力分布特征情況如圖4所示。從運輸巷道錨桿（索）應力分布特征情況來看，2種方案錨桿（索）桿體所受應力沒有太大差異，但在錨固段方案1錨桿（索）受力比方案2更小，錨桿（索）錨固段不易失效，可見方案1為最優方案。

圖4 不同支護方案下運輸巷道錨桿（索）應力分布

2.2.2 運輸巷道圍巖垂直應力特征分析

通過數值模擬分析，得到了不同支護方案條件下運輸巷道圍巖垂直應力分布情況圖，如圖5所示。由圖可知，垂直應力在巷道兩側呈對稱分布，巷幫垂直應力為負值，說明圍巖呈現受壓狀態。但巷道頂板附近區域應力集中程度顯著不同，頂板附近區域垂直應力最大值由大到小依次為方案2＞方案1，說明采用方案1支護方案時，巷道承載能力有了較大幅度提高，方案2由于錨桿（索）覆蓋范圍小，支護強度低，巷道承載能力低，使巷道發生了進一步破壞，導致應力釋放，因此，方案1頂板表面圍巖垂直應力低于其他兩種方案。

圖5 不同支護方案運輸巷道圍巖垂直應力分布特征

3 運輸巷道支護參數設計

該工作面運輸巷道為煤層巷道，此條件下的支護形式為：錨桿+錨索+W型鋼帶+金屬網的主動支護形式。下面重點對運輸巷道中頂板支護及巷道幫部支護進行參數設計。

3.1 頂板支護

3.1.1 支護材料

1)錨索采用Φ15.24×6 000 mm鋼絞線，錨索錨固劑采用1卷規格MSK2335和2卷規格MSZ2360樹脂藥卷，錨索采用“W”型鋼帶連接，型號為280 mm×4 mm×1 800 mm，錨索預緊力≥210 kN。錨索托盤使用300 mm×300 mm×14 mm鋼托盤[5]。

2）頂錨桿采用Φ18左旋螺紋鋼錨桿，長度為2 250 mm，使用1卷規格MSK 2335和1卷規格MSZ 2360樹脂藥卷加長錨固，采用“W”鋼帶連接，鋼帶型號為280 mm×4 mm×1 800 mm，預緊扭矩≥220 N·m，托盤為Φ150×10 mm鋼托盤。

3.1.2 間排距

頂板錨桿間排距為800 mm×800 mm，5根錨桿；錨索間排距為1 600 mm×1 600 mm，2根錨索。

3.2 巷道幫部支護

3.2.1 支護材料

支護網片為Φ6 mm的金屬網，金屬網網孔規格為80 mm×80 mm。金屬網與錨桿外露部分用聯網絲扭結固定。網與網之間對邊必須用聯網絲扭結成整體，每隔10 cm做到三扭一扣[6]。

3.2.2 間排距

幫錨桿間排距為800 mm×800 mm，一幫4根錨桿。

4 施工效果評價

在2號煤層運輸巷道支護現場施工過程中，整個巷道支護的施工操作嚴格按照所設計的支護方案及參數進行操作，嚴格執行相關安全操作措施。據現場施工負責人介紹，巷道支撐所需的施工部件均根據設計參數提前加工，按照此設計參數，不僅大大提升了運輸巷道的支撐性能，也使得運輸巷道的施工周期縮短了1/5左右，節約了相應的支護材料，人員的勞動強度大大降低。由此說明，采用科學的設計、分析及計算方法，對開展巷道支護的施工操作具有重要的指導意義。

5 結語

在運輸巷道支護的現場施工作業前，采用科學、合理的分析方法對其進行提前計算研究，是保障整個運輸巷道具有較強支護性能的關鍵。較強的運輸巷道支護效果，不僅能提高煤礦開采效率，也可大大提高工作面的作業安全。為此，通過對龍宮煤礦2號煤層進行測定，得出該煤層的強度相對較低，開展了該運輸巷道支護參數的數值模擬分析和支護參數的設計計算，找到了最佳的巷道支護方案及最佳的支護參數，按照此設計支護參數，該運輸巷道的施工周期、材料及人工成本均得到了明顯降低，也使得整個巷道的支護性能更強，提高了工作面的作業安全，實際指導意義較大。