金莊礦特厚煤層回采巷道支護(hù)參數(shù)優(yōu)化

蔡志炯

（大同煤礦集團(tuán)金莊煤業(yè)有限責(zé)任公司，山西 大同037000）

1 概述

井下采煤工作面回采巷道支護(hù)設(shè)計(jì)的方法很多，有理論計(jì)算法、工程類比法、監(jiān)控設(shè)計(jì)法〔1〕等，但后兩種方法在現(xiàn)場的應(yīng)用較多。實(shí)際回采巷道支護(hù)設(shè)計(jì)也不是一次完成的，而是一個動態(tài)過程〔2〕，一般要經(jīng)過初 步設(shè)計(jì)、井下試驗(yàn)觀測、信息反饋和修正設(shè)計(jì)以及井下監(jiān)測再修正等幾個環(huán)節(jié)，最終達(dá)到比較理想的支護(hù)參數(shù)。評價支護(hù)方案是否合理的標(biāo)準(zhǔn)是回采巷道在工作面采動影響下仍然能保持穩(wěn)定和滿足使用要求。一般情況下，回采巷道要受到兩次采動影響，即上區(qū)段工作面?zhèn)认蛑С袎毫τ绊懞捅緟^(qū)段工作面超前支承壓力影響〔3〕。在采動影響下，工作面巷道的力學(xué)響應(yīng)不斷變化，巷道變形不斷增加。因此，只有經(jīng)歷兩側(cè)采動影響的考驗(yàn)，才能判定其支護(hù)參數(shù)是否合理，支護(hù)方案應(yīng)隨之加以改進(jìn)。因此，對于新建礦井，只有對礦井最先開采的幾個工作面的回采巷道進(jìn)行監(jiān)測之后才能逐漸優(yōu)化回采巷道的支護(hù)參數(shù)，達(dá)到既能保證回采巷道安全又能節(jié)約支護(hù)成本的目的。

針對新建礦井特厚煤層回采巷道支護(hù)參數(shù)的優(yōu)化問題，金莊礦的做法是，先采用聲波探測方法確定了回采巷道松動圈范圍，并參考類似條件巷道支護(hù)參數(shù)，制定了初步支護(hù)方案。通過首采工作面回采過程中巷道變形、頂板錨桿錨索軸向力變化，對初始支護(hù)方案進(jìn)行了優(yōu)化，并將其應(yīng)用到后續(xù)巷道支護(hù)中，現(xiàn)場應(yīng)用表明優(yōu)化后的支護(hù)方案不僅能夠完全滿足安全、生產(chǎn)需要，而且節(jié)約了成本。

2 工程背景

金莊礦8203工作面為該礦的首采工作面，該工作面位于北二盤區(qū)。工作面回采巷道初步設(shè)計(jì)在8203首采工作面實(shí)施，并監(jiān)測工作面掘進(jìn)和回采過程中巷道變形和錨桿、錨索軸向力監(jiān)測。通過以上監(jiān)測手段，優(yōu)化巷道支護(hù)參數(shù)，并將優(yōu)化后的支護(hù)結(jié)構(gòu)形式應(yīng)用到隨后開采的8202工作面。

北一盤區(qū)主采石炭系3＃～5＃煤層，厚度12.2～18.10 m，平均15.45m，采用大采高綜放開采。煤層傾角3°～4°，平均埋深320m左右。煤層偽頂為灰黑色泥巖，厚度0.6～6m；直接頂為灰白色細(xì)砂巖，厚度5～12m，平均7.48 m；老頂為灰白色含礫粗砂巖、粉砂巖與中粒砂巖互層，厚度15～30m，平均20.86m。直接底為灰黑色泥巖，厚度1.2～10.6m，平均3.57m；老底為灰白色中粒砂巖與細(xì)砂互層，厚度5～26m，平均10.62m。

3 初始支護(hù)設(shè)計(jì)方案及評價

3.1 松動圈范圍確定

確定巷道掘進(jìn)過程中圍巖松動圈范圍是制定回采巷道支護(hù)方案的關(guān)鍵，采用BA－II型圍巖松動圈測試儀對圍巖松動圈范圍進(jìn)行探測。考慮到實(shí)驗(yàn)方案將在8203回風(fēng)順槽中進(jìn)行現(xiàn)場試驗(yàn)，為獲得較為準(zhǔn)確的現(xiàn)場數(shù)據(jù)，并結(jié)合金莊礦煤巷成孔特點(diǎn)，將松動圈測試點(diǎn)布置在距回采面300m、600m和1200m處，共布置3個測站（見圖1－a），每個測站布置7個鉆孔，分別位于巷道頂板兩邊和中間，兩幫腰線上下位置（見圖1－b）。

圖1 松動圈探測位置及探孔布置

現(xiàn)以左幫z－1號探測結(jié)果進(jìn)行分析（見圖2）。巷道左幫1號測孔在距工作面迎頭300m位置處的測試結(jié)果可以看出，煤體最高聲速為98.3mm／s，最低聲速為40 mm／s。且隨著孔深的增加，聲波波速在距孔口1.7m以內(nèi)時，聲波波速較低，基本在40mm／s左右，在1.8～2.9 m范圍內(nèi)，聲波波速不斷增大并逐漸趨于穩(wěn)定，在3～3.7 m范圍內(nèi)基本穩(wěn)定在85mm／s左右，經(jīng)分析可知，該處松動圈的大小可確定為1.7m。

圖2 左幫1號孔不同斷面聲波波速與鉆孔深度曲線

左幫z－1號測孔在距工作面迎頭600m位置處的測試結(jié)果可以看出，煤體最高聲速為91.8mm／s，最低聲速為79mm／s。且隨著孔深的增加，聲波波速在距孔口1.6 m以內(nèi)時，聲波波速較低，基本在80mm／s左右，在1.7～2.4m范圍內(nèi)，聲波波速基本穩(wěn)定在85～90mm／s之間，在2.5～3.7m范圍內(nèi)，聲波波速呈現(xiàn)波動上升的趨勢并最終穩(wěn)定在90mm／s左右，這種波動上升說明此處巷道的巖體節(jié)理裂隙可能較發(fā)育，但仍處于穩(wěn)定狀態(tài)，經(jīng)分析可知，該處松動圈的大小可確定為1.6m。

左幫z－1號測孔在距工作面迎頭1200m的位置處的測試結(jié)果可以看出，煤體最高聲速為91.8mm／s，最低聲速為50.5mm／s。且隨著孔深的增加，聲波波速在距孔口2.0m以內(nèi)時，聲波波速較低，處于65mm／s以內(nèi)，在2.1～2.9m范圍內(nèi)，聲波波速不斷增大并逐漸趨于穩(wěn)定，在3～3.7m范圍內(nèi)穩(wěn)定在80mm／s以上，經(jīng)分析可知，該處松動圈的大小可確定為2.0m。

綜上分析可知，巷道左幫1號測孔位置處的圍巖松動圈大致可確定為1.6～1.8m之間，局部較破碎地帶圍巖松動圈可達(dá)到2.0m。

通過對金莊煤業(yè)8203巷3個斷面共12鉆孔的松動圈測試可知，松動圈的深度在1.5～2.1m范圍內(nèi)（見圖3）。因此，金莊煤業(yè)同煤層巷道掘進(jìn)時，錨桿支護(hù)的錨固深度應(yīng)該不小于2.1m。

圖3 不同斷面鉆孔的松動圈深度

3.2 初始支護(hù)設(shè)計(jì)方案

首采工作面8203回風(fēng)順槽為矩形斷面，寬5.2m，高3.5m。根據(jù)巷道松動圈探測結(jié)果，并參考同煤集團(tuán)特厚煤層放頂煤工作面回采巷道和周邊礦井支護(hù)方案，確定巷道的支護(hù)參數(shù)。

巷道頂板采用Φ22×2400mm左旋無縱筋螺紋鋼錨桿，頂板間排距為900mm×1000mm，托盤均選用高強(qiáng)度托盤，托板規(guī)格為150mm×150mm×10mm，錨固長度為1200mm，錨固力不小于6t，預(yù)緊力矩不低于150N·m；錨桿均采用三花布置。頂板金屬網(wǎng)采用Ф6.0mm冷拔鋼筋制作，規(guī)格為2000mm×1000mm，網(wǎng)格為100mm×100 mm，金屬網(wǎng)每逢一格采用14＃雙股鉛絲對稱綁扎牢固。頂板鋼帶均選用W型鋼帶規(guī)格采用長×寬×厚為4700 mm×160mm×3mm，錨桿均布置在鋼帶上。頂板錨索采用三二三布置，規(guī)格采用Φ17.8mm×8300mm，配套金屬托板規(guī)格均為300mm×300mm×16mm，排間距為2000 mm×2000mm，并且頂板角錨桿、角錨索角度不小于75°。

巷道左幫為玻璃鋼錨桿同塑料網(wǎng)聯(lián)合支護(hù)。玻璃鋼錨桿均采用Φ20mm×2200mm右旋螺紋樹脂錨桿，間排距為1200mm×1000mm，托盤均選用塑鋼托盤，托板規(guī)格為150mm×150mm×10mm，螺帽均為塑鋼。玻璃鋼錨桿錨固長度為600mm，錨固力不小于70kN，玻璃鋼錨桿均采用三花布置。左幫采用塑料網(wǎng)，規(guī)格長×寬為2000 mm×1000mm，網(wǎng)格為50mm×50mm，鋼筋網(wǎng)與塑鋼網(wǎng)連接處不搭接。

巷道右?guī)筒捎忙?2mm×2400mm左旋無縱筋螺紋鋼錨桿，間排距為1200mm×1000mm，托盤均選用高強(qiáng)度托盤，托板規(guī)格為150mm×150mm×10mm，錨固長度為1200mm，錨固力不小于6t，預(yù)緊力矩不低于150N·m。錨桿均采用三花布置。采用Ф6.0mm冷拔鋼筋制作的金屬網(wǎng)，規(guī)格為2000mm×1000mm，網(wǎng)格為100mm×100 mm；金屬網(wǎng)每逢一格采用14＃雙股鉛絲對稱綁扎牢固。具體支護(hù)方案見圖4。

巷道底板：鋪底厚度均為200mm，砼強(qiáng)度為C25。

圖4 8203回風(fēng)巷初始支護(hù)方案設(shè)計(jì)

3.3 支護(hù)方案評價

巷道掘進(jìn)過程中對巷道變形和錨桿錨索阻力進(jìn)行了實(shí)測，結(jié)果表明，巷道開挖之后頂?shù)装宓囊平俣纫煊趦蓭褪諗克俣龋瑑蓭偷姆€(wěn)定要先于頂?shù)装濉Ｗ罱K，頂板的收斂量為47mm，大于兩幫收斂量41mm。對頂板及兩幫的錨桿錨固力進(jìn)行觀測，發(fā)現(xiàn)頂板最大錨桿的錨固力87 kN，大于兩幫的最大錨固力68kN。以上觀測數(shù)據(jù)表明，采用現(xiàn)階段的支護(hù)方案可以保證回采巷道在掘進(jìn)期間的穩(wěn)定性。

在8203工作面回采期間，隨工作面靠近，回采巷道變形情況見圖5。由圖5可以看出在工作面前方50m左右，巷道變形開始快速增加，最終頂板下沉量為17cm左右，兩幫移近量稍大，為20cm左右。

圖5 隨工作面靠近8203巷道變形情況

整體看來巷道變形量不大，工作面回采過程中不需要對巷道進(jìn)行加強(qiáng)支護(hù)，巷道可以保持較好的穩(wěn)定性。觀測還發(fā)現(xiàn)頂板離層量在3～6cm之間，離層量較小，且均發(fā)生在頂板淺部，因此可以適當(dāng)減小頂板的錨索支護(hù)密度。即使在靠近工作面位置，也沒有發(fā)生巷道頂角破碎嚴(yán)重，出現(xiàn)網(wǎng)兜的情況，考慮到頂角錨索施工困難，因此后續(xù)巷道支護(hù)設(shè)計(jì)中可以考慮去掉頂角錨索，而增加最靠近行幫錨桿的傾斜角度。

相對頂板變形，兩幫移近量較大，因此可將兩幫錨桿支護(hù)排距適當(dāng)減小。

4 優(yōu)化方案設(shè)計(jì)及評價

根據(jù)以上觀測結(jié)果制定優(yōu)化后的巷道支護(hù)方案為：將原有支護(hù)頂板錨索排距降低0.5m，且每排只打2根錨索，錨索密度減小，考慮到施工頂板傾斜錨索打孔困難，費(fèi)工費(fèi)時，在優(yōu)化方案中錨索采用垂直頂板施工，同時取消2個肩窩錨桿；左右兩幫錨桿類型同原方案，只是間距減少0.2m，錨桿支護(hù)密度增大。具體支護(hù)方案見圖6。

圖6 優(yōu)化后的支護(hù)方案

8202工作面回采巷道采用此優(yōu)化后的支護(hù)方案，在受到兩次采動影響時回采巷道頂板最大下沉量為32cm左右；兩幫移近量為28cm左右。在與8202工作面平行位置巷道內(nèi)錨索受力均達(dá)到200kN以上，充分發(fā)揮了支護(hù)效能。總體來看，巷道圍巖完整、穩(wěn)定，總變形量不大，完全能夠滿足安全生產(chǎn)的需要。采用優(yōu)化的支護(hù)方案后，節(jié)約了支護(hù)成本和施工進(jìn)度；每100m巷道可節(jié)省50根錨索及166根錨桿，工作時間節(jié)省174h，安全技術(shù)效果明顯，經(jīng)濟(jì)效益可觀。

5 結(jié)語

金莊煤礦特厚煤層回采巷道支護(hù)方案的優(yōu)化，通過8203、8202兩工作面試點(diǎn)，采用聲波探測技術(shù)，對矩形大斷面全煤巷松動圈進(jìn)行實(shí)測，結(jié)合初步設(shè)計(jì)支護(hù)方案的實(shí)驗(yàn)、修改和完善，最終確定了既符合巷道變形小能滿足安全生產(chǎn)需要，又節(jié)省成本、提高施工速度的回采巷道支護(hù)方式，為金莊煤礦特厚煤層的開采積累了有益的經(jīng)驗(yàn)。

〔1〕吳志祥，李安紅，梁建軍，等.錨桿支護(hù)動態(tài)信息設(shè)計(jì)法在常村礦的應(yīng)用〔J〕.煤礦開采，2001（3）：24－25，38.

〔2〕康紅普 .煤巷錨桿支護(hù)動態(tài)信息設(shè)計(jì)法及其應(yīng)用〔J〕.煤礦開采，2002（01）：5－8.

〔3〕白慶升，屠世浩，袁 永，等 .基于采空區(qū)壓實(shí)理論的采動響應(yīng)反演〔J〕.中國礦業(yè)大學(xué)學(xué)報，2013（03）：355－361.