晉北煤業(yè)工作面煤巷支護技術優(yōu)化實踐

王瑞捷

(霍州煤電集團有限責任公司，山西 霍州 031400)

0 引言

隨著煤炭資源的不斷開采，礦井開采的深度和強度不斷增加，趨向于開采地質條件較為復雜的煤層，受到深部高地應力的影響，許多巷道圍巖發(fā)生軟化現(xiàn)象[1-3]，巷道圍巖破碎，變形較為嚴重，原有的支護方式難以保證巷道破碎圍巖的穩(wěn)定[4-6]。現(xiàn)階段，許多研究學者針對巷道支護技術進行了大量研究。例如，張科[7]針對郭莊煤礦大斷面全煤巷道，分析了巷道圍巖破壞特征，優(yōu)化了錨桿及錨索間距；王文才[8]采用FLAC3D及正交試驗法優(yōu)化了巷道支護參數(shù)，取得了良好的效果；張琪[9]分析得到巷道兩幫圍巖破壞不大及頂?shù)装逋暾瑑?yōu)化了支護參數(shù)減小了支護強度。因此，針對晉北煤業(yè)全煤巷道頂?shù)装寰唧w地質條件下支護技術進行優(yōu)化研究具有重要的意義。

1 工程概況

1.1 礦井概況

晉北煤業(yè)隸屬于霍州煤電集團，位于山西省忻州市。其中，5-101工作面東北與一采區(qū)皮帶巷、一采區(qū)軌道巷、一采區(qū)回風巷相接，采煤工作面走向長700 m，傾向長180 m，面積為148 060 m2；工作面煤層傾角2°～8°，平均傾角為5°。該工作面煤層為5上號煤，局部5上號煤層與5下號煤層合并，煤層厚度6～9.5 m，平均厚4.62 m，為本井田內穩(wěn)定可采煤層。礦井絕對瓦斯涌出量為1.73 m3/min，CO2絕對涌出量為2.17 m3/min，為瓦斯礦井。

5-101工作面直接頂為泥巖，厚度為3.0～5.0 m，巖性特征為深灰色，塊狀，致密狀、質堅硬，具裂隙，被方解石脈充填。基本頂為灰?guī)r，厚度為2～6 m，巖性特征為灰黑色，中厚層狀，粉砂泥質結構，性脆易碎，含植物根莖化石。5-101工作面直接底板為砂質泥巖，厚度為1～2 m，巖性特征為灰白色，層狀，粉砂泥質結構，質較軟，含植物化石。

1.2 工作面巷道原支護方式

5-101工作面巷道主要沿5號煤頂板掘進，煤層厚度平均為4.7 m，埋藏淺局部蓋山厚度為40～60 m，且裂隙發(fā)達。在施工過程中，頂板巖性較差極易塌落，巷道成形差且支護變形量較大，極大影響了安全生產。巷道原支護方式采用工字鋼架棚支護，支護成本高，工人勞動強度大，安全隱患發(fā)生幾率較大，同時單一的架棚支護無法保證破碎頂板、斷層、風氧化帶、頂板淋水等地質狀況下的巷道支護效果。

1.3 巷道斷面形狀及尺寸

巷道斷面形狀：巷道斷面形式主要為矩形、拱形、馬蹄形和梯形等，根據(jù)晉北煤業(yè)工作面具體地質條件，且開掘的工作面巷道服務年限不長，確定巷道采用矩形斷面[10]。

巷道斷面尺寸：根據(jù)《煤礦安全規(guī)程》可知，巷道尺寸由設備寬度及人行通道寬度相加總和來確定。晉北煤業(yè)工作面運輸巷道的設備與兩側的巷幫、人行道距離均不小于500 mm，行人道寬度不小于800 mm，行人側有水溝，寬度不小于500 mm，則晉北煤業(yè)5-101工作面運輸巷最小凈寬度[11]

B=a+b+c+d+e

(1)

式中：a—皮帶輸送機寬度，取1 600 mm；b—水溝寬度，取600 mm；c—人行道寬度，取800 mm；d—皮帶輸送機外緣到同側人行道之間的距離，取500 mm；e—皮帶輸送機外緣到同側巷幫之間的距離，取500 mm；B—巷道凈寬度，mm。經(jīng)計算可知，5-101工作面運輸巷最小凈寬度為4.0 m，考慮寬度及安全系數(shù)和施工作業(yè)方便，最終確定晉北煤業(yè)5-101工作面運輸巷凈寬度為4.2 m。綜合考慮皮帶輸送機的高度、管道及風筒的懸掛、工作面通風量的要求，最終確定運輸巷的高度為3.5 m。因此，運輸巷寬度4.2 m，高度3.5 m，斷面面積為14.7 m2。回風巷斷面計算同運輸巷。

2 巷道支護技術優(yōu)化

2.1 工程類比法確定巷道支護方式

類似礦井主要支護參數(shù)：工作面巷道的合理支護方式取決于煤層的不同賦存條件和支護參數(shù)的優(yōu)化配置，相似工況條件下的成功支護經(jīng)驗對于巷道支護具有十分重要的借鑒意義，表1為類似礦井工作面巷道主要支護參數(shù)。

支護方式確定：由以上3個礦井相似工作面地質條件巷道所采取的支護方式進行對比分析，可發(fā)現(xiàn)均采用錨桿+錨網(wǎng)索聯(lián)合支護方式，在頂板為泥巖等軟巖時，可以保證巷道的安全穩(wěn)定。因此，晉北煤業(yè)工作面巷道采用錨桿+錨網(wǎng)索+鋼帶聯(lián)合支護方式。

2.2 理論計算確定巷道支護參數(shù)

采用理論計算的方法，確定巷道支護的基本參數(shù)[12]。

錨桿長度：

L=L1+L2+L3

(2)

L2=B/2f

(3)

式中：L1—為錨桿外露長度，取50 mm；L2—為錨索深入穩(wěn)定巖層長度，取200 mm；L3—錨桿的有效長度，mm；B—巷道跨度，取4.3 m；f—巖石堅固系數(shù)，根據(jù)實驗室測試取1.1。將數(shù)值代入上式，得錨桿長度L=2.2 m。

錨桿直徑：

(4)

式中：Q—為錨桿錨固力，直徑20 mm的錨桿取80 kN；σ—錨桿桿體的設計抗拉強度，取335 MPa。將數(shù)值代入上式，得錨桿直徑d=17.46 mm，為了一定的安全系數(shù)，取錨桿直徑為20 mm。

表1 類似礦井工作面巷道主要支護參數(shù)

錨桿間排距：一般情況下，錨桿間排距相等，即

(5)

式中：k—錨桿安全系數(shù)，取1.5；γ—巖體容重，取25.6 kN/m3。將數(shù)值代入上式，得錨桿間排距a=1.19 m，考慮到回采采動及其他擾動影響，將頂板錨桿的間排距設計為1 m。

錨索長度：錨索長度按下式計算

L=L1+L2+L3

(6)

式中：L1—錨桿錨固長度，取1.6 m；L2—錨索外露長度，取0.2 m；L3—需要錨索加固的破碎圍巖高度，為壓力拱高度再考慮1.5倍的安全系數(shù)，取3.5 m。將數(shù)值代入上式，得錨索長度為5.3 m。

錨索排距：

(7)

式中：B—巷道最大冒落寬度，取4.3 m；H—巷道最大冒落高度，取3 m；L1—錨桿排距，取1 m；F1—錨桿錨固力，取80 kN；F2—錨索極限承載力，取353 kN；θ—錨桿與巷道頂板的夾角，取75°；n—每排錨桿的數(shù)量，取2。將數(shù)值代入上式，得錨索排距L′=3.1 m，由于晉北煤業(yè)煤層頂板巖層厚度變化較大，且頂板較為復雜破碎，故將錨索間排距設計為2 m。

2.3 巷道支護方案

圖1 巷道頂板支護平面圖

頂板支護方案：巷道頂板采用規(guī)格為φ20 mm×2 200 mm的左旋無縱筋螺紋鋼錨桿，間排距為950 mm×1 000 mm，如圖1所示。鋼托盤規(guī)格為150 mm×150 mm×10 mm，錨桿錨固均采用兩支樹脂藥卷錨固，規(guī)格為K2340和Z2388各一支，錨固長度為1 200 mm，預緊扭矩不小于150 N·m。錨索規(guī)格為φ17.8 mm×5 300 mm的1×7股鋼絞線錨索，采取“二二”布置，每隔兩排錨桿支護一排錨索，每排錨索有2根，即間排距為1 800 mm×2 000 mm。配套300 mm×300 mm×20 mm金屬平托盤。采用三支樹脂藥卷錨固，一支規(guī)格為K2340，兩支規(guī)格為Z2388，錨固長度為2 000 mm，張拉預緊力不小于150 kN。頂板托梁均選用鋼筋梯形梁，若頂板破碎時選用W型鋼帶，規(guī)格采用為5 000 mm×220 mm×3 mm(長×寬×厚)，錨桿均布置在鋼帶上。

巷幫支護：巷道幫部采用φ18 mm×2 000 mm左旋無縱筋螺紋鋼錨桿，間排距為1 000 mm×1 000 mm，托盤均選用鋼托盤，托板規(guī)格為150 mm×150 mm×10 mm，錨桿錨固均采用一支樹脂藥卷錨固規(guī)格為Z2388，錨固長度為1 200 mm，預緊扭矩不小于120 N·m，如圖2所示。巷道支護方式斷面如圖3所示。

圖2 兩幫支護剖面圖

圖3 巷道支護斷面圖

3 現(xiàn)場應用

3.1 支護效果分析

數(shù)據(jù)記錄：5-101工作面巷道采用如上支護技術方案進行支護工作，為研究以上方案參數(shù)的合理性及巷道圍巖的變形量，在巷道每隔30 m設置一個測站，分別記錄巷道兩幫及頂?shù)装遄冃瘟俊?/p>

結果分析：通過提取測站數(shù)據(jù)分析，在工作面回采期間，兩幫移近量穩(wěn)定在103 mm，頂?shù)装逡平糠€(wěn)定在95 mm，完全可以保證巷道的安全穩(wěn)定，保障工作面的正常回采需求。

3.2 經(jīng)濟效益分析

在晉北煤業(yè)礦井工作面將以往的U型棚支護變更為錨網(wǎng)梁支護，在有力的支護理論依據(jù)支持下支護形式靈活應用。既有效控制頂板又節(jié)約支護成本，降低職工勞動強度，與原來掘進速度相比提高20%，每米成本節(jié)約3 000元。

4 結語

針對晉北煤業(yè)5-101工作面巷道原支護方式不能滿足變形要求等問題，采用理論分析，確定了工作面巷道斷面形狀為矩形，斷面尺寸為4.2 m×3.5 m。采用工程類比法，比較分析了沙坪煤礦18204工作面、王莊煤礦6207工作面、馬道頭煤礦2203工作面3個類似的工作面巷道圍巖條件，結合晉北煤業(yè)工作面巷道的頂?shù)装逄攸c，總結得出當巷道頂板巖層為泥巖等軟巖時，可以采用“錨桿+錨網(wǎng)索+鋼帶”聯(lián)合支護方式，并針對晉北煤業(yè)5-101工作面具體條件，理論計算得出了各支護方式參數(shù)。通過現(xiàn)場應用，此支護方案可以保證5-101工作面巷道的穩(wěn)定，且取得了較大的經(jīng)濟效益。