大佛寺煤礦對回采工作面結構改善研究

張 強

（陜西彬長大佛寺礦業有限公司，陜西 咸陽 713500）

隨著煤礦機械化程度的增加，每年消耗的巷道也在不斷增加[1-2]。巷道的掘進、支護、充填等需要大量人力物力去維護。且巷道使用周期普遍較短，需要提高巷道的使用率[3-4]。以大佛寺礦掘進工作面為例，巷道為半煤巖巷、巖巷，施工工期長、進度慢[5]，嚴重制約了工作面的形成時間和礦井接續，因此針對工作面外圍系統的優化亟待解決。結合礦井實際，設計巷道支護及外圍復用方案，為煤礦工作面改善提供一種思路。

1 地質構造

大佛寺礦40103 工作面主采4 煤，4 煤為黑色，半亮型，瀝青光澤，層狀構造，條帶狀結構，貝殼狀或階梯狀斷口，硬度相對較大，普氏硬度系數2～3。工作面內煤層厚度14～16 m，平均煤厚15 m，屬穩定厚、特厚煤層。煤層結構簡單，局部含0～2層夾矸，大部分不含夾矸，巖性多為碳質泥巖。煤層東厚西薄，平均傾角2°～7°30′，煤層賦存較為穩定。

直接頂多為泥巖，淺灰色，具水平紋理，含黃鐵礦結核和植物化石，厚度平均1.98 m，抗壓強度24.6 MPa，軟化系數0.4，屬于易冒落半堅硬不穩定型；基本頂主要為粉砂巖，淺灰～灰白色，平均厚度8.34 m，抗壓強度63.76 MPa，軟化系數0.50，屬于半堅硬較穩定型；4 煤直接底多為鋁土質泥巖，褐灰色，光滑細膩，厚層狀，含鮞粒，遇水極易軟化，易膨脹，厚度平均7.29 m，其抗壓強度29.4 MPa，軟化系數0～0.15，屬于不堅硬不穩定型。

2 相鄰工作面復用外圍系統

2.1 巷道布置

根據大佛寺礦掘進工作面實際情況，外圍系統設計長度在250～300 m，較長的達到350 m，巷道為半煤巖巷或巖巷，施工工期普遍在2～3 個月，施工進度慢、工期長，嚴重制約了工作面的形成時間和礦井接續。為解決礦井接續緊張，降低萬噸掘進率，延長工作面治災抗災時間，減少矸石產出量，提升掘進工效，因此復用相鄰工作面外圍系統，具體如下。

40103 綜放工作面設計過程中，回順風橋巷道對應膠帶巷為4 煤膠帶大巷二部機頭硐室，40103回順風橋過巷難度較大，因此40103 回順外圍系統掘進過程中，通過復用40104 回順外圍系統中回聯及風橋段，只掘進67 m 回風通道，從而形成40103回順外圍系統，少掘進巷道188 m，優化了回順外圍系統設計。40103 回順外圍系統掘進如圖1。

圖1 40103 回順外圍系統復用示意圖

相鄰工作面外圍系統復用，40203 工作面相鄰40201 工作面，根據彬長公司規定，回采工作面運順必須設計在實煤體側，因此40203 回順與40201回順相鄰，40201 工作面回采結束后，40203 回順直接從40201 回順三岔口向里拐彎掘進，減少巷道進尺275 m；40203 工作面回采結束，40205 回順從40203 運順三岔口向里拐彎掘進，減少巷道進尺275 m。對翼工作面溜煤眼復用。41201 工作面位于412 采區北翼，運順溜煤眼深度19.6 m，采用混凝土澆筑，凈直徑2.5 m；40204 工作面位于402 采區南翼，通過設計與41201 運順在同一經緯度。

2.2 支護設計

40103 回順回風通道采用直墻半圓拱斷面，40103 回順采用矩形斷面。回順回風通道掘寬4500 mm，掘高3500 mm，掘斷面積13.57 m2。回順掘寬5600 mm，掘高3500 mm，掘斷面積19.6 m2。

巷道毛水溝400 mm×500 mm，水溝采用風鎬施工，煤矸上皮帶系統運輸，水溝滯后工作面不能超過45 m。巷道斷面特征見表1。

表1 巷道斷面特征表

巷道臨時支護采用移溜器對頂板進行臨時支護，永久支護采用金屬螺紋鋼錨桿+鋼帶+金屬網+錨索進行聯合支護。三岔口至40103 回順停采線斷面支護如圖2。

圖2 三岔口至40103 回順停采線斷面支護（mm）

三岔口至停采線段93 m、回風通道外段22 m 處回順通道，具體支護參數：巷道為矩形斷面，掘寬5.6 m，掘高3.5 m，頂板采用金屬螺紋鋼錨桿配以鋼帶、金屬網及錨索支護。錨桿規格為Ф22 mm×2500 mm，矩形布置，間排距700 mm×800 mm， 每 根 使 用1 支MSK23/35 型錨固劑和2 支MSZ23/35 型錨固劑；錨索采用規格為Ф21.8 mm×7100 mm 鋼絞線，每排3 根，間排距1750 mm×800 mm，每根錨索使用1 支MSK23/35 型和3 支MSZ23/35 型樹脂錨固劑。幫部采用Ф22 mm×2500 mm 錨桿配金屬網及異形鋼帶支護，間排距800 mm×800 mm，每根使用1支MSK23/35 型和2 支MSZ23/35 型樹脂錨固劑。鋼帶為BHW-280-3.0-5 100 型，孔距700 mm。異形鋼帶寬80 mm，孔距800 mm。頂部錨索設計外露長度（200±50）mm，幫部錨索設計外露長度（150±50）mm。錨桿外露長度設計（25±15）mm。錨索托盤采用Q235 蝶形托盤配合導向環使用，蝶形托盤規格為300 mm×300 mm×16 mm。錨桿配套鐵托板采用國家標準的Q235 鋼托板，規格為150 mm×150 mm×12 mm。金屬網為Φ6 mm 鋼筋制成，金屬網規格為1000 mm×2500 mm，網孔規格100 mm×100 mm，均要求壓茬一個網格。聯網時采用14#鐵絲雙股，每隔200 mm 雙排綁扎。

40103 工作面停采線至切眼（長度1768 m）支護參數：巷道為矩形斷面，掘寬5.6 m，掘高3.5 m，頂板采用金屬螺紋鋼錨桿配以鋼帶、金屬網及錨索進行支護。錨桿規格為Ф22 mm×2500 mm，間排距1400 mm×800 mm，每根使用1 支MSK23/35 型錨固劑和2 支MSZ23/35 型錨固劑；錨索采用Ф21.8 mm×7100 mm 鋼絞線，間隔布置，間排距1400 mm×800 mm，每根錨索使用1 支MSK23/35 型和3 支MSZ23/35 型樹脂錨固劑。幫部采用錨桿、錨索配菱形網及異形鋼帶支護。錨桿規格Ф22 mm×2500 mm，菱形布置，間排距1600 mm×800 mm，錨索規格Ф18.9 mm×3500 mm，菱形布置，間排距1600 mm×800 mm，每根使用1支MSK23/35 型和2 支MSZ23/35 型樹脂錨固劑。鋼帶為BHW-280-3.0-5100 型，孔距700 mm，異形鋼帶寬80 mm，孔距800 mm。頂部錨索設計外露長度（200±50）mm，幫部錨索設計外露長度（150±50）mm，錨桿外露長度設計（25±15）mm。錨索托盤采用Q235 蝶形托盤配合導向環使用，蝶形托盤規格為300 mm×300 mm×16 mm。錨桿配套鐵托板采用國家標準的Q235 鋼托板，規格為150 mm×150 mm×12 mm。金屬網為Φ6 mm 鋼筋制成，金屬網規格為1000 mm×2500 mm，網孔規格100 mm×100 mm。菱形網為12#鐵絲編制而成，網幅1000 mm×10 000 mm，網孔50 mm×50 mm，均要求壓茬一個網格。聯網時采用14#鐵絲雙股，每隔200 mm 雙排綁扎。40103 回順停采線至切眼支護示意圖如圖3。

圖3 40103 回順停采線至切眼支護示意圖（mm）

40103 回風通道頂板及幫部采用金屬螺紋鋼錨桿配以菱形網及錨索進行支護。錨桿規格均為Φ22 mm×2500 mm，矩形布置，間排距800 mm×800 mm；錨索采用Φ21.8 mm×7100 mm 鋼絞線，矩形布置，間排距 1600 mm×1600 mm（每2 排3 根）。錨桿每根使用1 支MSK23/35 樹脂藥卷和2 支MSK23/35 樹脂藥卷，錨索每根使用1 支MSK23/35樹脂藥卷和3 支MSZ23/35 樹脂藥卷。錨桿預緊力矩為300 N·m，錨固力為100 kN；錨索預緊力為220 kN，錨固力為250 kN。頂部錨索設計外露長度（200±50）mm，幫部錨索設計外露長度（150±50）mm，錨桿外露長度設計（25±15）mm。金屬網為Φ6 mm 鋼筋網，網幅1000 mm×2500 mm，網孔100 mm×100 mm。菱形網為12#鐵絲編制菱形網，網幅1000 mm×10 000 mm，網孔50 mm×50 mm。錨桿托板規格150 mm×150 mm×12 mm，錨索碟形托板規格300 mm×300 mm×16 mm，每個錨索托盤配一個調心球墊使用。聯網時采用14#鐵絲雙股，每隔200 mm 雙排綁扎。40103 回風通道斷面支護如圖4。

圖4 40103 回風通道斷面支護（mm）

2.3 支護工藝

1）臨時支護

采用移溜器對頂板進行臨時支護。移溜器個數為2，型號為YT4-8A，活塞桿全部伸出時最大高度1855 mm，額定推力39.2 kN。為了使移溜器更好地適應巷道，對移溜器進行了改造。改造方式：移溜器活塞桿上套一個1300 mm 長DN70 焊管，活塞桿頂端伸進管內200 mm。焊管頂端安裝一塊150 mm×150 mm×10 mm 厚鋼板，與活塞桿頂端以鉸接方式連接，確保鋼板有一定的旋轉自由度。鋼板上方焊接1 根1 m 長B19 六方鉆桿，兩側各伸出500 mm。鋼板四角焊接爪釘，確保與頂板接觸緊實不打滑。改造后移溜器最小高度2200 mm，最大高度3100 mm，行程800 mm。焊管長度可根據巷道高度自行調整。

支護順序：綜掘機截割或爆破后，適當出煤，確保移溜器支撐處頂板至浮渣面高度不小于2.6 m；由經驗豐富的老工人進行敲幫問頂；將準備好的鋼筋網運至迎頭，并與頂板迎頭網片進行簡單壓茬連接，聯網間距可放大至400 mm；接著安裝移溜器，并操作移溜器油缸手把升起活塞桿支撐頂板，升啟活塞桿的同時將網片頂起。支撐到位后用防倒鉤將焊管頂端掛在已支護完好的網片上；按照作業規程或措施要求進行錨網永久支護；每排永久支護結束后方可拆除臨時支護，拆除時先卸壓，再摘掉放倒鉤；最后在其他作業人員的配合下緩緩將移溜器拆除、放倒在地上。每排支護均按此程序進行臨時支護。

支護標準：每排安裝2 個移溜器，左右各1 個，距巷道中線均為1 m；焊管頂部超前最后一排錨桿不超過1 m（排距0.8 m）或1.2 m（排距1 m）；當頂板不平時可適當調整移溜器支撐位置；移溜器不能打在實底上時要加墊木托板，木托板應與移溜器垂直，每次只能加墊一塊木托板；使用移溜器時應與頂板垂直，偏差不超過15°，沿斷面左右兩側偏差不超過5°；支柱初撐力以“焊管不彎，底端不陷、手搖不晃”為標準。

2）永久支護

割煤施工后及時進行全面敲幫問頂→臨時支護→施工頂部錨桿→安裝好錨桿→進行頂錨索、幫錨桿永久支護。

具體錨桿安裝步驟：每班作業人員進入掘進迎頭前，應進行安全檢查、設備檢查與維護、物料準備等工作，特別對支護材料進行嚴格驗收，不合格材料嚴禁使用；安裝錨桿前將眼孔內煤巖粉清理干凈，確保錨固劑與錨桿眼壁能夠良好接觸；送樹脂藥卷：向錨桿孔裝入規定樹脂藥卷，用錨桿慢慢將藥卷送入眼底，快速在里面，中速在外面；攪拌樹脂藥卷：用攪拌接頭將錨桿機和錨桿螺母連接起來，開動錨桿機使錨桿升至眼底時，停止升錨桿機，攪拌30～45 s 停機，待中速錨固劑凝固（約480 s）后再次啟動錨桿機旋轉推進；將螺母定位銷破開，使托盤錨網壓緊巖面；最后，人工用自制加長力矩扳手二次緊固；力矩扳手檢查及擰緊。

送樹脂藥卷：向錨索孔裝入1 支MSK23/35 和3 支MSZ23/35 型藥卷，用錨索慢慢將藥卷送入眼底，快速在里面，中速在外面；之后，攪拌樹脂藥卷：用攪拌接頭將錨桿機和錨索連接起來，開動錨桿機使錨桿升至眼底時，停止升錨桿機，開動錨桿機攪拌，攪拌應由慢到快，推入孔底50 s 時停止攪拌，此時還需用錨索機頂住錨索約1 min 后，方能放下錨索機；最后，張拉：待樹脂凝固后取出攪拌器，半小時后上槽鋼及鎖具，用風動張拉機對錨索進行張拉。

3 礦壓監測及效益分析

3.1 礦壓監測

如圖5 所示，在工作推進的過程中，巷道兩側和頂部的移動變化趨勢大致相同。然而，由于地質條件、巷道跨度和支撐強度等因素的不同影響，沿著空隙不同的位置，表面的移動變化表現出明顯的差異。例如，距開切眼356 m 時圍巖的頂部和底部移動量最大達到了235 mm，而距開切眼147 m 時頂底板的移動量最大為219 mm。同樣，距開切眼356 m 時圍巖兩側的移動量最大達到了313 mm，而距開切眼147 m 時斷面兩側的移動量最大為281 mm。另外巷道變形主要集中于采掘影響區域，且隨時間推移逐漸降低，最后趨于穩定。在該支護方式下礦壓穩定在合理范圍內。

圖5 巷道圍巖收斂變形監測

3.2 效益分析

巷道外圍系統復雜，月進度較低，減少外圍系統施工，工作面內圈系統形成時間縮短1～2 個月，為工作面災害治理提供可靠保障。每年復用兩條外圍系統，減少巷道進尺約550 m，降低萬噸掘進率約3.2%。順槽外圍系統巷道多為巖巷及半煤巖巷，減少外圍系統施工，降低矸石產量，實現綠色開采，減少礦區環境污染，避免矸石外運污染社會環境。按照平均巷道斷面為18.9 m2，巖巷長度200 m 計算，兩條巷道減少矸石產量200 m×18.9 m2×2.6 t/m3×2=19 656 t。通過外圍系統復用，每年減少掘進進尺550 m，每米延米單價9850 元（材料費、人工費、社保、電費），節約費用550×9850=541.75 萬元；每年減少矸石產量1.96 萬t，處理矸石每噸費用13元，節約費用1.96×13=25.48 萬元；合計節約費用567.23 萬元。

4 結論

1）根據大佛寺煤礦地質特點設計了支護方式。錨索網巷道臨時支護，采用移溜器對頂板進行臨時支護；永久支護采用金屬螺紋鋼錨桿配以鋼帶、金屬網及錨索進行支護。

2）在工作推進的過程中，巷道兩側和頂部的移動變化趨勢大致相同。然而，由于地質條件、巷道跨度和支撐強度等因素的不同影響，沿著空隙不同的位置，表面的移動變化表現出明顯的差異。礦壓總體穩定在合理范圍內。

3）通過復用外圍系統，工作面內圈系統形成時間縮短1～2 個月。每年復用兩條外圍系統，掘進及矸石處理共節約567.23 萬元。