工作面煤巷支護(hù)狀況監(jiān)測(cè)及優(yōu)化研究

侯志鵬

（山西高平科興牛山煤業(yè)有限公司， 山西 高平 048400）

引言

綜采工作面的回采巷道為整個(gè)礦井的重要組成部分，巷道的安全性在很大程度上受制于其所采用的支護(hù)方案，進(jìn)而影響整個(gè)礦井的生產(chǎn)效率和安全性。眾所周知，煤巷在最初的支護(hù)設(shè)計(jì)均是在勘探的基礎(chǔ)上完成的，而勘探結(jié)果與實(shí)際煤巷情況存在一定的差距，進(jìn)而導(dǎo)致煤巷支護(hù)存在欠支護(hù)或過(guò)支護(hù)的狀態(tài)，造成工作面的安全性減弱或支護(hù)材料的浪費(fèi)[1]。因此，需加強(qiáng)對(duì)煤巷支護(hù)狀況的監(jiān)測(cè)，并根據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果實(shí)時(shí)、有效地對(duì)支護(hù)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，以確保煤巷的真正的安全性。

1 工程概況

牛山煤礦開(kāi)采方式為地下開(kāi)采，生產(chǎn)規(guī)模120萬(wàn)t/a，有效期限為24a，可開(kāi)采煤層為3#—15#煤。井田內(nèi)可采煤層為 3、9、15 號(hào)煤層，3、9、15 號(hào)均為全區(qū)穩(wěn)定可采煤層，其中3 號(hào)煤為井田內(nèi)主要的可采煤層，位于山西組的下部，井田四周均有風(fēng)化剝蝕。煤層厚 0～9.17 m，平均 5.71 m，含夾矸 0～3 層，一般0～2 層，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，為全井田穩(wěn)定可采煤層。經(jīng)探測(cè)可知，3 號(hào)煤層所屬工作面的首采面回風(fēng)順槽的頂?shù)装迩闆r如表1 所示。

根據(jù)晉科司發(fā)[2018]625 號(hào)文《山西科興能源發(fā)展有限公司關(guān)于2018 年度礦井瓦斯等級(jí)鑒定審查結(jié)果的通知》：該礦瓦斯絕對(duì)涌出量為5.68 m3/min，掘進(jìn)最大絕對(duì)涌出量為0.25 m3/min，二氧化碳絕對(duì)涌出量為3.79 m3/min，批復(fù)為低瓦斯礦井。

2 煤巷支護(hù)狀況的監(jiān)測(cè)

為全面檢查巷道錨桿支護(hù)的工作狀態(tài)，監(jiān)控巷道受到采動(dòng)影響前后的狀況，掌握圍巖的變形規(guī)律，以確定巷道的穩(wěn)定程度，以便及時(shí)采取相應(yīng)的處理措施，并且通過(guò)監(jiān)測(cè)來(lái)驗(yàn)證設(shè)計(jì)的合理性，檢驗(yàn)支護(hù)質(zhì)量，同時(shí)為修改設(shè)計(jì)提供科學(xué)依據(jù)[2]。為此，設(shè)計(jì)礦壓觀測(cè)斷面，并對(duì)煤巷頂板離層量、深部位移以及錨桿和錨索的工作載荷進(jìn)行監(jiān)測(cè)。支護(hù)現(xiàn)狀：所選頂錨桿的直徑為18 mm，長(zhǎng)度為2 600 mm，錨桿間距為1 200 mm，排間距為1 200 mm，每排錨桿的數(shù)量為5根，錨桿類(lèi)型為左旋無(wú)縱筋螺紋錨桿；所選幫錨桿的直徑為18 mm，長(zhǎng)度為2 100 mm，錨桿間距為1 000 mm，排間距為1 200 mm，每排錨桿的數(shù)量為4根，錨桿類(lèi)型為玻璃錨桿。

表1 3 號(hào)煤層工作面頂?shù)装迩闆r

2.1 監(jiān)測(cè)方案的設(shè)計(jì)

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)圍巖變形情況每50～60 m 設(shè)一處測(cè)站（為監(jiān)測(cè)斷層附近或特殊圍巖條件的巷道變形，觀測(cè)斷面間距可以適當(dāng)擴(kuò)大和縮小），觀測(cè)點(diǎn)應(yīng)在巷道掘出后及時(shí)布設(shè)，頂板離層觀測(cè)每30～50 m 在巷道頂板中部設(shè)一離層指示儀。

頂板離層監(jiān)測(cè)方案：采用頂板離層儀和鉆孔窺視儀進(jìn)行觀測(cè)，鉆孔窺視儀可以直接觀察7 m 深鉆孔的巖層結(jié)構(gòu)、層理、各類(lèi)弱面和離層情況。

深部位移監(jiān)測(cè)方案：巷道圍巖深部位移觀測(cè)采用深基點(diǎn)位移計(jì)進(jìn)行觀測(cè)，每個(gè)測(cè)面安設(shè)1 個(gè)深基點(diǎn)位移計(jì)。安設(shè)當(dāng)天進(jìn)行第一次測(cè)量，以后每天觀測(cè)一次，一個(gè)月后3 d 觀測(cè)一次。

錨桿錨索工作載荷監(jiān)測(cè)方案：本測(cè)試采用錨桿、錨索應(yīng)力計(jì)進(jìn)行。使用時(shí)，首先將壓力盒套在錨桿、錨索托盤(pán)和外錨頭的螺母之間，然后緊固螺母，對(duì)錨桿、錨索施加預(yù)應(yīng)力，記錄下壓力盒指示的初始值，此后，每天量測(cè)一次，在采煤工作面推進(jìn)至距頂板錨桿應(yīng)力計(jì)20 m 的范圍內(nèi)后，要加強(qiáng)觀測(cè)，發(fā)現(xiàn)異常及時(shí)匯報(bào)。每個(gè)測(cè)站選擇兩根錨桿、錨索布置兩個(gè)應(yīng)力計(jì)[3]。

2.2 煤巷支護(hù)狀況監(jiān)測(cè)結(jié)果分析

2.2.1 頂板離層量的監(jiān)測(cè)

根據(jù)上述的監(jiān)測(cè)方案進(jìn)行布置，所得的監(jiān)測(cè)結(jié)果如圖1 所示。

圖1 頂板離層量監(jiān)測(cè)結(jié)果

如圖1 所示，所設(shè)計(jì)的7 m 鉆孔中分別距離煤壁為 0.5 m、1 m、1.5 m、2 m、2.5 m、3 m、3.5 m、4 m、4.5 m、5 m、5.5 m、6 m、6.5 m 以及 7 m 的離層量進(jìn)行監(jiān)測(cè)。分析圖1 可知，當(dāng)距離工作面越遠(yuǎn)時(shí)頂板幾乎不受采動(dòng)的影響，最大離層量為2 mm；但是，當(dāng)距離工作面的距離小于50 m 時(shí)，頂板的下車(chē)速度明顯增加，且距離煤壁越遠(yuǎn)離層量越大，最大離層量可達(dá)22 mm。

2.2.2 深部位移的監(jiān)測(cè)

根據(jù)上述方案進(jìn)行布置，所得深部位移的監(jiān)測(cè)結(jié)果如圖2 所示。

圖2 煤巷深部位移監(jiān)測(cè)結(jié)果

如圖1 所示，當(dāng)距離回采工作面大于53 m 時(shí)，其頂板下沉量和兩幫位移量變化范圍較小，可認(rèn)為在距離回采工作面53 m 以外的工作面處于穩(wěn)定狀態(tài)；當(dāng)距離回采工作面小于53 m，即越靠近工作面，頂板下沉和兩幫變形越嚴(yán)重，其中頂板的最大下沉量可達(dá)30 mm，兩幫最大變形量可達(dá)38 mm。

2.2.3 錨桿工作載荷的監(jiān)測(cè)

根據(jù)上述方案進(jìn)行布置，所得錨桿的工作載荷監(jiān)測(cè)結(jié)果如表2 所示。

如表2 所示，目前支護(hù)方式下錨桿錨固力達(dá)不到設(shè)計(jì)要求，及錨桿支護(hù)的效果較差。

表2 錨桿工作載荷監(jiān)測(cè)結(jié)果 kN

3 煤巷支護(hù)狀況的優(yōu)化

結(jié)合“2”中對(duì)工作面支護(hù)狀況的監(jiān)測(cè)結(jié)果需對(duì)錨桿和錨索支護(hù)參數(shù)進(jìn)行重新設(shè)計(jì)[4]。采用理論計(jì)算手段結(jié)合首采回風(fēng)順槽的實(shí)際情況實(shí)現(xiàn)對(duì)煤巷支護(hù)狀況的優(yōu)化，優(yōu)化后的支護(hù)效果如圖3 所示。對(duì)煤巷支護(hù)優(yōu)化后的具體參數(shù)如下：

圖3 煤巷支護(hù)的優(yōu)化示意圖（單位：mm）

1）針對(duì)頂板支護(hù)采用錨桿與錨索的聯(lián)合支護(hù)方式。其中，頂錨桿的直徑為22 mm，錨桿長(zhǎng)度為2 400 mm，錨桿類(lèi)型為左旋螺紋鋼高強(qiáng)錨桿，錨桿間距為1 150 mm，錨桿排間距為1 000 mm，每排錨桿的數(shù)量為5 根；采用加長(zhǎng)樹(shù)脂錨固劑（K2335 和Z2360）對(duì)錨桿進(jìn)行錨固，保證鉆孔的直徑不大于30 mm；要求錨桿的預(yù)緊力大于300 N·m[5]；為保證錨桿的支護(hù)效果，在上述基礎(chǔ)上增加規(guī)格尺寸為100 mm×100 mm 的鋼筋網(wǎng)，總長(zhǎng)度為5.2 m，寬度為1.5 m。錨索的直徑為17.8 mm，長(zhǎng)度為6 300 mm，錨索間距為2 300 mm，錨索排間距為2 000 mm；采用1 卷K2335 和2 卷Z2360 樹(shù)脂錨固劑對(duì)錨索進(jìn)行錨固，要求錨索預(yù)緊力大于300 kN。

2）針對(duì)兩幫支護(hù)采用錨桿支護(hù)方式。其中，頂錨桿的直徑為22 mm，錨桿長(zhǎng)度為2 400 mm，錨桿類(lèi)型為左旋螺紋鋼高強(qiáng)錨桿（煤柱幫）和玻璃錨桿（開(kāi)采幫），錨桿間距為1 100 mm，錨桿排間距為1 000 mm，每排錨桿的數(shù)量為4 根；采用Z2360 錨固劑對(duì)錨桿進(jìn)行錨固，保證鉆孔的直徑不大于30 mm；要求錨桿的預(yù)緊力大于300 N·m；為保證錨桿的支護(hù)效果，在上述基礎(chǔ)上增加規(guī)格尺寸為100 mm×100 mm的鋼筋網(wǎng)，總長(zhǎng)度為4.1 m，寬度為1.5 m。

4 結(jié)語(yǔ)

一直以來(lái)，綜采工作面的支護(hù)效果直接決定煤礦生產(chǎn)安全性和效率。在實(shí)際開(kāi)采或掘進(jìn)中，巷道的支護(hù)狀態(tài)處于動(dòng)態(tài)變化范圍，需定期對(duì)煤巷的支護(hù)狀況進(jìn)行監(jiān)測(cè)，并結(jié)合煤巷最新的地質(zhì)、水文等條件對(duì)支護(hù)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，以保證綜采工作面的安全、高效生產(chǎn)。