14307 工作面4 號煤正巷和切眼支護優化設計研究

吳文鵬

（西山煤電集團有限責任公司西曲礦，山西 太原 030200）

1 工程概況

西曲礦4 號煤層14307 工作面地面位于原港立村，蓋山厚度約125～245 m。工作面沿4 號煤層施工，煤層厚度較穩定，平均3.05 m，傾角平均3°。該區域4 號煤與2.3 號煤層間距為3.1～7.4 m 且厚度不穩定，屬近距離煤層，頂板管理困難。

14307 工作面正巷設計采用沿空留巷方案，使用高水充填材料將其中356 m 的正巷保留下來，作為14306 工作面正巷使用。通過沿空留巷，預計可增加煤量3 萬t，減少掘進巷道工程量490 m。

2 近距離煤層帶來的支護困難

由于4 號煤與2.3 號煤層間距較小，且不穩定，因此，需要對14307 工作面正巷在掘進施工過程中的頂板情況進行詳細分析，并根據具體情況采用差異化支護方案。具體各段的情況如下：

（1）14307 工作面正巷開口施工0～100 m 段，上覆2.3 號煤小窯巷道及煤柱，受煤柱影響壓力顯現明顯。

（2）14307 工作面正巷開口施工100～470 m 段，上覆12312 工作面采空區，巷道頂幫穩定，無明顯壓力顯現。

（3）14307 工作面正巷開口施工470～968 m 段，下伏18305 工作采空區，層間距約50 m，需注意加強支護。其中：① 2.3 號煤煤柱影響段：正巷開口510～580 m 段在2.3 煤煤柱下施工。受煤柱及蹬空影響，圍巖壓力增大。② 上覆2.3 號煤采空區段：正巷開口470～510 m、580～734 m 段上覆12312、12318 工作面采空區，下伏18305 工作面蹬空區。③ 層間距薄影響區：正巷開口734～968 m，段該區域2.3 煤與4 煤層間距為3.1～3.6 m。

（4）14307 工作面切眼開口0～85 m 段，2.3 煤與4 煤層間距為3.2～3.5 m，且煤層受夾矸影響，夾矸厚度約1 m 不足以保留。

（5）14307 工作面切眼開口85～186 m 段，夾矸變厚為1.9 m，夾矸上部煤線厚度0.3 m，下部4號煤煤厚2.2 m。

3 支護工藝適應性分析

由于4 號煤層頂板為粉砂巖，且與上覆2.3 號煤層的層間距較小，所以4 號煤掘進工作面自建礦以來支護方式均采用鐵棚+錨桿+錨索聯合支護。該支護方式存在施工效率低、支護工序復雜、材料單價高、勞動強度大、回收價值低等缺點，并且架棚作為被動支護方式，安全系數低，易發生頂板冒漏情況，急需對支護進行優化。

2020 年，14305 工作面采用沿空留巷方案，基于4 號煤層圍巖力學性質對14305 工作面正巷支護工藝進行了相應的調整，采用短錨索+長錨索+鋼筋梯梁+鋼筋網聯合支護方式[1-3]，取消了架棚支護。根據14305 工作面回采期間礦壓監測分析及現場觀測分析，支護效果較理想。

針對14307 工作面4 號煤層實際情況和特點，在14305 工作面正巷支護方案的基礎上，對14307工作面正巷和切眼支護工藝進行進一步優化，以達到降低支護成本、提高巷道掘進效率、降低勞動強度、安全高效開采的目的。

4 “一段一策”支護優化設計方案

結合14307 工作面4 號煤層特點和巷道實際變化情況，對14307工作面正巷和切眼采用“一段一策”支護理念，及時調整各段巷道支護優化形式，確保各段支護科學合理、掘進高效、安全可靠。

4.1 上覆小窯巷道及煤柱影響段（0～100 m）

上覆小窯巷道及煤柱影響段斷面與支護如圖1，巷道斷面為矩形，寬×高為4 m×3 m，掘斷面積12 m2，凈斷面積11.02 m2，支護采用錨桿+錨索+鋼筋梯梁+鋼筋網。

圖1 上覆小窯巷道及煤柱影響段斷面與支護圖（mm）

頂錨桿矩形布置，每排打設5 根，間排距850 mm×1000 mm，鋼筋梯梁長3600 mm。頂錨索間排距2000 mm×2000 mm，頂板鋪設1200 mm×3600 mm 鋼筋網。頂錨桿規格：Φ20 mm×2400 mm 螺紋鋼錨桿；錨索規格：Φ21.6 mm×4200 mm 鋼絞線。

幫錨桿矩形布置，間排距1000 mm×1000 mm，每排布置3 根，第一排距頂300 mm。幫錨桿規格：Φ20 mm×1800 mm 無縱肋螺紋鋼錨桿。兩幫掛設2.2 m 長鋼筋梯梁，滾幫大時掛設2.3 m×4.0 m 鐵絲網。

其中，14307 工作面正巷開口50 ～70 m 段受12312 工作面采空區煤柱影響，巷道不同程度發生變形，頂錨索更改為五花形布置，間排距2000 mm×1000 mm。

4.2 上覆2.3號煤采空區沿空留巷段（100～470 m）

上覆2.3 號煤采空區沿空留巷段斷面與支護如圖2。巷道斷面為矩形，寬×高為4.4 m×3.0 m，掘斷面積12.3 m2，凈斷面積12.18 m2，支護采用短錨索+長錨索+鋼筋梯梁+鋼筋網。

圖2 上覆2.3 號煤采空區沿空留巷段斷面與支護圖（mm）

短錨索參數：頂板短錨索間排距1200 mm×1000 mm，每排4 根，規格為Φ17.8 mm×2600 mm 鋼絞線，采用鋼筋梯梁聯結為一體，梯梁長3900 m。頂板鋪設1200 mm×3900 mm 鋼筋網。

長錨索參數：頂板正中打設1 根長錨索，排距為2.0 m，規格為Φ21.6 mm×4200 mm 鋼絞線。

幫錨桿矩形布置，間排距1000 mm×1000 mm，每排布置3 根，第一排距頂板300 mm。幫錨桿規格：Φ20 mm×1800 mm 無縱肋螺紋鋼錨桿，兩幫掛設2.3 m×4.0 m 鐵絲網。

4.3 下伏8 號煤蹬空區段（470～968 m）

下伏8 號煤蹬空區段斷面與支護如圖3。巷道斷面為梯形，支護采用鐵棚+錨索聯合支護。鐵棚采用礦用11#工字鋼，棚梁長度3.5 m，棚腿長度3.2 m，棚距1.1 m，柱窩深度150 mm。錨索呈矩形布置，每架棚子間打設3 根，間排距1.0 m×1.1 m，錨索規格為Φ17.8 mm×2600 mm 鋼絞線。在巷道正中打設1 根SKZ22-1/1860 中空注漿錨索，長度4.3 m，排距2.2 m。錨索位置重合時，注漿錨索代替普通錨索。

圖3 下伏8 號煤蹬空區段斷面與支護圖（mm）

（1）2.3 號煤煤柱影響段：正巷開口510～580 m 段上覆2.3 煤采空區煤柱。棚距縮小為0.9 m，頂錨索間排距1.0 m×0.9 m，注漿錨索排距1.8 m。兩幫打設幫錨索加強支護，在距頂板1.2 m 處打設一根幫錨索，排距1.8 m，幫錨索規格：Φ21.6 mm×4200 mm 鋼絞線。

（2）上覆2.3 號煤采空區段：正巷開口580～734 m 段上覆12318 工作面采空區。棚距調整為1.0 m，頂錨索間排距1.0 m×1.0 m，注漿錨索排距2.0 m。

（3）層間距薄影響區：正巷開口734～968 m段層間距為3.1～3.6 m。將原巷道支護中的注漿錨索調整為Φ21.6 mm×3200 mm 普通錨索。

4.4 切眼架棚段（0～85 m）

切眼架棚段斷面與支護如圖4。巷道斷面為梯形，支護采用鐵棚+錨索聯合支護。鐵棚采用礦用11#工字鋼，棚梁長度3.5 m，棚腿長度3.2 m，棚距1.0 m，柱窩深度150 mm。錨索呈矩形布置，每架棚子間打設4 根，間排距0.9 m×1.0 m。錨索規格：層間距＞4 m 時，采用Φ21.6 mm×4200 mm 鋼絞線；層間距在3～4 m 時，采用Φ21.6 mm×3200 mm 鋼絞線；層間距在2.5～3 m 時，采用Φ21.6 mm×2600 mm 的鋼絞線。

圖4 切眼架棚段斷面與支護圖（mm）

4.5 切眼夾矸變厚純錨段（85～186 m）

切眼夾矸變厚純錨段斷面與支護如圖5。巷道夾矸變厚為1.9 m，托夾矸施工，層間距變為5.7～5.9 m。巷道斷面為矩形，寬×高為4.4 m×3.0 m，掘斷面積為13.2 m2，凈斷面積為12.18 m2。支護采用錨桿+錨索+鋼筋梯梁+鋼筋網。

圖5 切眼夾矸變厚純錨段斷面與支護圖（mm）

頂錨桿矩形布置，每排打設5 根，間排距為950 mm×1000 mm。 鋼 筋 梯 梁 長4000 mm。頂錨索間排距2000 mm×2000 mm，頂板鋪設1200 mm×4100 mm 鋼筋網。頂錨桿規格為Φ20 mm×2400mm 螺紋鋼錨桿，錨索規格為Φ21.6 mm×4600 mm 鋼絞線。

幫錨桿矩形布置，間排距1000 mm×1000 mm，每排布置3 根，第一排距頂300 mm。幫錨桿規格為Φ20 mm×1800 mm 螺紋鋼錨桿，兩幫掛設2.3 m×4.0 m 鐵絲網。

5 支護優化設計效果及效益分析

5.1 支護優化設計效果分析

對14307 工作面4 號煤正巷和切眼的支護進行了優化設計，支護優化設計方案施工結束后，采用十字交叉法觀察巷道頂底板及兩幫移近量。第1 個月的監測，巷道變形量不明顯，2 個月后巷道拱肩部出現細微裂隙，3 個月后變形趨于穩定。監測期間，頂板最大移近量46 mm，兩幫最大移近量30 mm，均在允許范圍。這表明支護優化方案能有效地控制14307 工作面正巷和切眼的變形，保障巷道的安全。

5.2 效益分析

對14307 工作面4 號煤支護優化前后日進尺、勞動組織、主材成本進行比較分析。對比原4 號煤架棚支護方案，優化設計后，日均進尺從9.6 m 提高到12 m；工作人員從7 人減少為5 人，僅需要掘進機司機1 人，頂板支護2 人，兩幫支護1 人；主要成本從2 157.7 元/m 降低到1 711.9 元/m，14307工作面正巷、切眼可節省支護材料成本約50 萬元，經濟效益顯著。