宏遠煤業150202工作面巷道布置及支護技術研究

李 剛

（山煤集團左權宏遠煤業有限公司，山西 左權 032600）

0 引言

厚煤層綜放開采是厚煤層采煤方法中最為安全高效的開采方法之一，而工作面巷道的布置是放頂煤開采中較為關鍵的一步，巷道位置選取合理，則容易維護且煤炭資源回收率高；反之，則容易發生安全事故[1]。國內外研究學者對放頂煤開采方法及巷道布置、支護技術等進行了大量的試驗和研究。李東明[2]針對急傾斜煤層放頂煤開采方煤巷道的合理位置、斷面設計及支護形式進行了分析，選取了合理的參數，并得到了成功應用；常慶靈[3]針對大采深高瓦斯松軟厚煤層進行了分析，選取了雙回路巷道布置及讓壓錨桿支護方式；劉長武[4]針對厚煤層沿底巷道錨網索支護參數進行了全面優化。但是，由于目前的厚煤層放頂煤工作面巷道合理位置及支護方式確定，大多都是根據工程類比法及現場經驗得到，這對于不同的地質條件下顯然不夠科學。因此，針對具體礦區巷道位置及支護方式的研究對于放頂煤開采的安全生產和提高煤炭采出率具有重要意義。

1 工程概況

山煤集團宏遠煤業150202工作面采用放頂煤開采方法，15#煤層厚度為4.0～6.5m，平均為4.8m，傾角為-3°～8°，煤層硬度為0.8～1.0f煤層結構簡單，整體工作面15#煤層厚度變化不大，15#上均厚1.6m。15#與15#上煤層之間夾矸以碳質泥巖為主，均厚0.8m。直接頂為泥巖、砂質泥巖，以黑色為主，水平層理結構致密，平均厚度為2.2m，直接底為鋁質泥巖、泥巖，灰色，結構質地較軟，裂隙發育，平均厚度為2.6m?，F針對150202綜放工作面的巷道合理位置及支護形式進行研究確定。

2 工作面回采巷道合理位置確定

2.1 巷道布置方式研究

現階段，厚煤層放頂煤開采巷道布置方式主要有兩種，即沿底巷道和沿頂巷道，兩種巷道布置方式都有優缺點。

圖1 放頂煤巷道布置方式

1）沿底巷道布置方式。如圖1左圖所示，巷道為沿底巷道，上部留有頂煤，底部直接接觸底板巖層。此類巷道布置方式巷道底板完整，底板平整連續不容易發生底鼓現象，而巷道頂板為頂煤，易冒落，容易形成高冒區，但煤炭采出率較高。

2）沿頂巷道布置方式。如圖1右圖所示，巷道為沿頂巷道，上部直接與頂板相接，頂板平整連續，不容易發生冒落，但底板留有底煤，容易發生底鼓現象，采用沿頂巷道布置工作面時，工作面兩端容易形成三角煤，不利于提高煤炭采出率，造成煤炭資源的浪費。

2.2 巷道布置方式確定

由于宏遠煤業150202工作面15#煤層厚度為4.8m，巷道采用沿底布置時，留有頂煤厚度不大，僅為1.8m，采用錨桿支護時，錨桿可以穿過頂煤，固定于較為穩定的頂板巖層中，從而達到保證巷道圍巖穩定的效果，也可避免沿頂布置時留有三角煤造成煤資源浪費。

因此，150202工作面分別布置運輸巷道、回風巷道、高抽巷和切巷，其中150202運輸巷道沿15#煤層底板布置，采用矩形斷面，長×寬：4.5m×3m，用來進風、行人及運煤；150202回風巷道沿15#煤層底板布置，采用矩形斷面，長×寬：4.5m×3m，用來回風、行人及輔助運料；150202高抽巷布置沿基本頂灰巖布置，與150202回風巷道內錯10m，用來抽放瓦斯；開切眼沿煤層傾向布置。工作面巷道布置如圖2所示。

圖2 工作面巷道布置方式圖

3 回采巷道支護方式確定

對于宏遠煤業150202工作面采用沿底巷道布置方式，上部存在一定厚度的頂煤，巷道頂板圍巖強度較低。因此，弄清巷道圍巖變形破壞機理及其支護體與圍巖之間關系是正確選擇支護形式的基礎條件。

3.1 錨桿作用機理

巷道開挖后，所處應力環境發生變化，巷道圍巖容易發生變形，安裝錨桿后可以對頂板及兩幫巷道圍巖的變形進行有效的控制，保障了巷道圍巖的完整性。

1）錨桿主要作用于控制巷道錨固區域內圍巖的滑動、離層、裂隙張開等破壞，防治圍巖發生彎曲變形與剪切破壞，使巷道圍巖盡可能處于受壓狀態，提高錨桿錨固區巷道圍巖的整體強度，從而保證巷道的穩定性。

2）為了防止錨桿受力較大而發生較大的變形，錨桿支護系統需有滿足巷道現場條件足夠大的剛度。

如圖3所示，利用UDEC離散元軟件模擬有無錨桿支護時巷道圍巖的變形情況。圖a為無支護結構時，巷道圍巖發生了較大的變形，圖b位巷道加上錨桿支護系統后，圍巖得到了有效地控制，變形很小，由此可見，錨桿可以對巷道圍巖變形起到有效的控制作用。

圖3 有無錨桿支護時巷道圍巖的變形情況

3.2 巷道支護參數確定

宏遠煤業150202放頂煤工作面巷道采取4.5m×3m矩形斷面，采取錨桿+錨索聯合支護。具體參數[5]選取如下：

1）頂錨桿長度計算：

式中：L為錨桿長度，m；L1為錨桿外露長度（取決于錨桿類型和構造要求），0.1m；L2為潛在冒落拱高度，3.2m；L3為錨桿錨入穩定巖層的深度，0.3 m；

根據宏遠煤業150202工作面巷道頂煤厚度1.8m，L2取值 1.8m。

L=L1+L2+L3=0.1+1.8+0.3=2.2m；因此，選用頂錨桿長度為2.2m。

幫錨桿長度計算時，L2取巷道圍巖松動圈厚度，根據巷道圍巖類型取1.6m，可得到幫錨桿長度為2.0m。

2）錨桿排距計算。

對于采用錨桿支護巷道時，錨桿間排距D可由下式計算：

D≤0.5L，式中，L為錨桿長度。

由此可以計算得到頂錨桿間排距為1100mm，幫錨桿間排距為1000mm。

3）確定錨索長度。

式中：L為錨索總長度，m；L1為需要外露的張拉長度，0.3m；L2為需要錨固的不穩定巖層厚度，5m；L3-錨索錨固到較穩定巖層的錨固長度，1.65m。

因此，選用錨索長度為7m。

4）錨索間排距的確定。

式中：Q為錨索的破斷力，根據工作面現場實測數據取353kN；k為安全系數，一般取1.5；a為錨索間排距；G為危巖載荷，根據巷道圍巖巖性，取147kN/m.

可以計算得到a=1.6m。

因此，可以得到巷道支護參數為：頂錨桿長度為2.2m，間排距為1100mm×1100mm，幫錨桿長度為2m，間排距為1000mm×1000mm，錨索長度為7m，間排距為1600mm×1600mm。

4 工業實驗

掘進巷道后，選取150202工作面運輸巷道進行巷道支護效果的監測，采用十字布點法針對巷道的頂板下沉量、左幫移近量、右幫移近量及底板鼓起量進行檢測，在運輸巷道每隔50m設置一個測點，觀測周期為30天。提取數據，進一步處理后可以得到如圖4所示巷道圍巖表面變形位移變化圖。

由圖4可知，宏遠煤業150202放頂煤工作面運輸巷道在采取錨桿+錨索聯合支護方式后，掘進0～20天內，變形量較大，20天后，巷道圍巖變形量趨于緩和。最終運輸巷道頂底板移近量穩定在110mm，兩幫移近量穩定在58mm，巷道變形量在錨桿+錨索聯合支護方式下，得到了有效的控制，保證了工作面的安全生產。

圖4 巷道圍巖位移變形量圖

5 結束語

對現階段厚煤層放頂煤工作面回采巷道合理位置及支護方式確定等問題，分析了現有的兩種巷道布置方式優缺點，根據宏遠煤業150202工作面具體情況選用了沿底巷道方式，分析了現有錨桿技術對巷道圍巖的作用機理，采用UDEC模擬了有無錨桿時，巷道的變形情況，最后根據現場經驗及公式選取了錨桿+錨索聯合支護方式，并確定了具體支護參數，并在150202工作面得到了成功應用。