晉能控股塔山礦巷道支護優化設計

王虎偉

(潞安化工集團 常村煤礦，山西 長治 046102)

塔山礦井位于大同煤田東翼中東部邊緣地帶，井田面積170.8 km2，地質儲量50億t,可采儲量30億t，現有5個可采煤層。礦井采用平硐開拓，分區獨立通風；2個水平開采，劃分有7個盤區。1、2盤區為投產盤區，3盤區為達產盤區；設計3個綜采工作面(2個放頂煤綜采工作面、1個普通綜采工作面)，達到1 500 t/a的設計能力。

塔山礦井主采石炭二疊系的太原組5號(3號～5號)煤層，該煤層頂板一般為炭質泥巖、粉砂巖。底板為泥巖或粉砂巖；井下巷道斷面為17～17.8 m2，工作面巷道斷面為13.2～17.4 m2；井田內斷裂構造較為發育，全礦井共有斷層60多條，多數斷層延展長度短，落差小，但對煤層的破壞作用較大；同時，首采的一、二盤區煌斑巖侵入5號(3號～5號)煤層上部6 m左右，受煌斑巖侵入體的穿插破壞，煤層受熱變質或硅化，使煤層的結構和煤質更加復雜。鑒于以上各因素，對塔山煤礦井下巷道的支護造成一定影響。

1 煤層賦存情況

大同煤田為雙系煤田，塔山礦是晉能控股煤業由開采侏羅系煤層轉入石炭二疊系的首座特大型礦井，其煤層結構與賦存條件與井田內侏羅系煤層相比，存在較大差異，主要有以下特點：

1.1 煤層厚度大，節理裂隙發育

全井田5號(3號～5號)煤層總厚1.63～29.21 m，平均厚15.72 m，首采區5號(3號～5號)煤層平均厚13 m左右。同時煤層節理裂隙較發育，見圖1。

圖1 5號(3號～5號)煤層頂底板巖性柱狀示意

1.2 頂底板條件較復雜

5號(3號～5號)煤層頂板一般為炭質泥巖和粉砂巖。底板為高嶺質泥巖，灰黑色粉砂巖。直接頂厚度分布較均勻，一般為2～8 m，最厚處為12.34 m，最薄處僅0.17 m。直接頂在火成巖侵入區，巖性主要為火成巖、炭質泥巖等，結構復雜。火成巖的普氏硬度為Ⅳ甲類，屬相當堅硬的巖石；炭質泥巖的普氏硬度為Ⅶ-Ⅴ甲類，屬相當軟的巖石。

1.3 巖漿巖侵入影響

巖漿巖侵入處的煤層均發生了受熱變質、硅化現象，煌斑巖侵入5號(3號～5號)煤層僅在上部6 m左右，約占區域面積的1/2。煤層的結構和煤質更加復雜。混煤結構疏松、易碎，再加上煤層可采厚度變化大，對礦井巷道圍巖影響很大。

1.4 地質構造較簡單，斷層較發育

該井田屬大同向斜的中東翼，為一走向北東，傾向北西的單斜構造，對煤層的開采影響不大。井田內大部分地區的地層產狀平緩，地層傾角一般在5°以內。

2 巷道原支護設計

1) 斷面形狀：井下開拓、準備及回采巷道均采用矩形斷面。

2) 主要支護參數(錨桿形式和規格)：桿體采用18號普通A3鋼，反麻花式錨桿。開拓及準備巷道錨桿長度為2 000 mm(頂)/1 700(幫) mm，排間距為900 mm×1 000 mm(頂)/ 1 200 mm×1 500 mm(幫)；回采巷道長度為2 000 mm(頂)/1 700(幫) mm，排間距為800 mm×1 000 mm(頂)/850 mm×1 300 mm(幫)；大巷噴混凝土厚120 mm；砌水泥砂漿片石墻，墻厚400 mm。

錨桿錨固方式：采用端頭錨固；網片規格：采用8號鉛絲網片護頂，網格為100 mm×100 mm；錨索形式和規格：錨索采用D15.5 mm×6.0 mm鋼絞線，五花布置。排間距為：1 600 mm×3 000 mm。

錨索錨固方式：端頭錨固，錨固長度1.5 m。

錨索托板：300 mm×300 mm×10 mm方鐵托板。

3) 原支護分析。① 煤層賦存條件對巷道支護的影響。煤層厚度大，主要大巷均布置在煤層中。巷道圍巖松軟破碎，煤層和巖層的不連續面容易發生離層，巷道圍巖破壞范圍較大。節理裂隙特別發育的破碎煤層中表現得尤為突出。② 巷道斷面及服務年限對巷道支護的要求。采用綜放開采的采煤方法，為確保運輸、通風需求，設計巷道斷面較大。開拓準備大巷為永久巷道，服務年限長，所以巷道支護必須充分考慮時間因素的影響。③傳統錨桿支護方式的缺陷。原設計巷道支護采用傳統的錨桿支護，這種支護方式的參數對該礦特厚復雜煤層的支護效果有限，屬單一被動的、低強度和低剛度的支護方式，不能有效發揮巷道圍巖的自身承載作用，且巷修費用高、不能有效控制圍巖變形，影響巷道安全。④應用效果。在掘進過程中，采用原支護設計，在實踐過程中巷道出現過局部垮塌現象。

3 支護設計優化

結合上述分析，該礦對煤巷錨桿支護重新進行了動態信息法優化設計。主要包含兩大特點：其一，設計不是一次完成，而是一個動態過程；其二，設計充分利用每個過程中提供的信息。該設計方法有5個組成部分：①試驗點調查和地質力學評估；②初設設計；③井下監測；④信息反饋和修改設計；⑤日常監測。

將原設計錨桿、錨索及托板的材料性能及尺寸均進行了調整，并增加了W鋼帶、29U鋼棚及壁后注漿支護。設計提高了支護材料的強度、剛度及可靠性。強調發揮支護材料的主動支護能力，變單一錨網噴支護為錨網索鋼帶噴+29U鋼棚的聯合支護方式，通過將巷道斷面形狀由矩形改為拱形并采用壁后注漿來增加圍巖自身的承壓結構，通過高可靠性的錨固力、預緊力檢測手段，控制圍巖變形，合理控制支護間排距，達到改進支護效果的做法。

支護材料：錨桿支護間排距及規格：錨桿桿體為左旋無縱筋螺紋鋼筋，專用錨桿鋼材。桿體公稱直徑為22 mm，極限拉斷力為265 kN，屈服力為190 kN，延伸率為17%.桿尾螺紋規格為M24 mm，采用滾壓加工工藝成型。開拓及準備巷道(拱形)長度為3 000 mm(頂)/2 400(幫) mm，排間距為700 mm×700 mm(頂)/ 700 mm×700 mm(幫)；回采巷道(矩形)長度為2 400 mm(頂)/2 400(幫) mm，排間距為700 mm×700 mm(頂)/700 mm×700 mm(幫)；大巷噴混凝土厚120 mm，混凝土強度為C20。

錨固藥卷：頂錨桿采用2支樹脂藥卷樹脂加長錨固，樹脂藥卷規格為K2335、Z2360。鉆孔直徑為28 mm，錨固長度為1 200 mm；幫錨桿采用樹脂加長錨固，采用2支樹脂藥卷，分別為K2335、Z2360。鉆孔直徑為28 mm，錨固長度為1 000 mm。

錨桿托板：采用拱型高強度鋼托板，托板規格為150 mm×150 mm×10 mm；W形鋼帶規格：厚度為3 mm，寬度為250 mm；網片規格：采用6號鋼筋網片護頂，網孔規格為100 mm×100 mm；錨索間排距和規格：錨索索體材料為高強度低松弛鋼絞線，公稱直徑為17.8 mm，極限拉斷力為355 kN，延伸率為3%、錨索頭部設有樹脂藥卷攪拌頭，尾部配有高強度錨具。沿巷道頂板中心對稱布置(即巷道中心兩側各800 mm)，間排距1 600 mm×2 000 mm(開拓準備巷道)/1 600 mm×3 000 mm(回采巷道)。

錨固方式：采用3支樹脂藥卷加長錨固，1支為K2335快速錨固劑，2支為Z2360中速錨固劑，錨固長度為1 800 mm。開拓準備巷道需要增加灌注水泥漿進行全長錨固，水泥標號為525號，水灰比為0.5∶1，最終注漿壓力1.5～2.0 MPa。

錨索托板：規格為300 mm×300 mm×16 mm，高強度錨索鋼托板。

破碎段支護：增加29U型鋼棚(開拓準備巷道)或11號礦用工字鋼(回采巷道)支護，排距為700 mm。

應用效果：通過在各巷應用，實踐證明優化后的巷道形狀及支護形式有效地保證了巷道的順利掘進，能夠滿足礦井安全高效生產的要求。但存在巷道支護成本較高問題，因此有必要在保證支護效果的基礎上，再對其進行降低成本的優化設計。

4 支護降本優化設計

通過對標山東、江蘇等地質條件復雜的大型礦井，結合礦井井下實際情況，對井巷支護設計進行了降本優化：

1) 斷面形狀。主要開拓、準備巷道仍采用半圓拱型斷面，回采巷道采用矩形斷面。

2) 錨桿形式和規格：桿體采用22號左旋無縱筋螺紋鋼，材質選用20MnSi。開拓、準備及回采巷道頂錨桿長度為2 500 mm，幫錨桿為1 800 mm，排間距為900 mm；錨固方式：采用端頭錨固；頂錨桿：1支K2335，2支Z2360，錨固長度1.5 m；幫錨桿：1支K2335，1支Z2360，錨固長度1.0 m；錨桿托板：采用拱型高強度鋼托板，托板規格為200 mm×200 mm×10 mm；雙鋼筋托梁：D12鋼筋，寬度為150 mm；網片規格：頂部采用8號鋼筋網片支護，網孔規格為100 mm×100 mm。

錨索形式和規格：索體材料為高強度低松弛預應力鋼絞線，公稱D17.8 mm。錨索頂部設有樹脂錨固劑攪拌頭及錨固劑擋圈, 錨索尾部配有同索體材料同樣強度錨具。沿巷道頂板中心對稱布置(即巷道中心兩側各800 mm)，間排距1 600 mm×2 700 mm。

錨固方式：端頭錨固—1支K2335，2支Z2360，錨固長度1.5 m；錨索托板：規格300 mm×300 mm×16 mm，高強度錨索托板(帶調心球墊)承載能力不低于40 t；破碎段支護：29U型鋼棚(或11號礦用工字鋼)支護，排距為900 mm。

3) 應用效果：以上優化后的巷道支護形式，自2016年6月應用至今，證明不僅能夠有效保證巷道支護效果，同時大大降低了支護成本。

5 支護設計改造前后經濟效益對比

通過優化支護設計，巷道每米支護材料消耗量明顯減少，支護單價明顯下降。由于塔山礦井田面積大，井下開拓巷道多，優化支護設計后的材料節約費用是相當可觀的，節省費用估算見表1。

表1 二盤區大巷優化前后每米支護材料消耗量對照

二盤區大巷共3條，總計約18 000 m，按照調研市場價格(錨桿70元/套；錨索150元/套；鋼帶5.3元/kg；29U鋼棚5.8元/kg)計算，二盤區大巷在實施設計優化后，共節省直接投資約為1 000萬元。

6 結 語

通過采用動態信息法，對該礦井下巷道原支護設計進行了如下優化：

斷面形狀優化：井下巷道由矩形斷面優化為主要開拓、準備巷道采用半圓拱型斷面，回采巷道采用矩形斷面。

支護材料優化：將原設計錨桿、錨索及托板的材料性能及尺寸進行了調整，提高了支護材料的強度、剛度及可靠性。并增加了W鋼帶、29U鋼棚及壁后注漿支護措施。強調發揮支護材料的主動支護能力，變單一錨網噴支護為錨網索鋼帶噴+29U鋼棚的聯合支護方式。

支護參數優化：將原設計中的錨桿、錨索長度及支護密度進行了調整優化。

經濟效益：優化支護設計前后經濟效益顯著，以二盤區大巷為例共節省支護費用約1 000萬元。