綜采工作面巷道支護設計及工業(yè)性試驗

姚 勇

（山西孝義西山德順煤業(yè)有限公司， 山西 孝義 032300）

引言

目前，我國煤礦生產中巷道的掘進技術落后于開采技術，導致煤礦整個生產效率不能夠發(fā)揮到極致。對于煤礦掘進或者開采而言，最主要的是保證其工作面生產的安全性。除了日常采取的通風、瓦斯抽采、抽水等措施外，還需根據(jù)工作面地質、煤層等條件綜合支護成本和施工的難易程度確定綜采工作面巷道的支護方案[1]。在某種程度上講，采取合理的支護方案不僅能夠降低生產成本，還能夠提高生產效率。本文以某礦4322 綜采工作面巷道為例開展研究，主要完成該巷道的支護設計并驗證支護效果。

1 4322 綜采工作面工程概述

本文以某礦4322 綜采工作面為例開展研究，該工作面所屬礦井的生產能力為4 Mt/年，主要采用綜合機械化采煤方式進行開采，并采用全部垮落法對頂板進行管理。經(jīng)探測，4322 工作面的煤層傾角為0°～3°，煤層厚度范圍為2.9～3.1 m，煤層平均厚度為3.08 m。4322 工作面的頂?shù)装鍡l件如表1 所示。

表1 礦區(qū)4322 綜采工作面地質條件

2 4322 綜采工作面支護方案設計

2.1 錨桿支護設計原則

當前，綜采工作面主要以錨桿支護為主，本工程同樣主要以錨桿為主實現(xiàn)對4322 綜采工作面巷道的支護設計[2]。在實際支護過程中需遵循如下原則：

1）綜采工作面巷道經(jīng)采用錨桿支護后工作面圍巖強度應遠大于未支護的強度，且在保證圍巖支護強度的基礎上應盡可能的降低錨桿支護密度，為后期巷道的快速掘進和開采奠定基礎，能夠實現(xiàn)掘進和開采的正常交替。

2）經(jīng)現(xiàn)場勘測可知，在實際開采過程中綜采工作面巷道圍巖主要的應力狀態(tài)為剪切和錯動。因此，在錨桿設計時應提升錨桿支護后綜采工作面巷道圍巖的摩擦力和抗剪切能力，從而保證巷道圍巖的穩(wěn)定性。

3）為錨桿增加適當?shù)念A緊力可增加錨桿的支護效果，尤其是解決巷道開挖初期圍巖不穩(wěn)定的情況，從而保證巷道圍巖整體的完整性和承載能力。一般情況下，錨桿預緊力應為錨桿屈服載荷的30%～50%。

4）為進一步提升綜采工作面巷道圍巖的支護效果，在錨桿支護的基礎上增加鋼帶或者金屬網(wǎng)的支護，從而整體上提升錨固系統(tǒng)的性能[3]。

2.2 錨桿支護設計的數(shù)值模擬基礎

為保證后期錨桿支護的效果，本文首先通過數(shù)值模擬手段對不同支護方案下對應的巷道圍巖的狀態(tài)進行對比分析，為錨桿支護方案的初步設計提供依據(jù)。所搭建的數(shù)值模擬模型如下頁圖1 所示。

圖1 4322 綜采工作面數(shù)值模擬模型

本節(jié)對四種不同支護方案的支護效果進行仿真對比分析。支護方案的錨桿均采用長度為2 400 mm，錨桿間距為950 mm、錨桿直徑為22 mm；所采用錨索的長度為7 400 mm，錨索間距為2 000 mm。四種不同方案的區(qū)別是錨桿排距和錨索排距不同。錨桿排距分別為1.0 m、1.1 m、1.2 m 和1.3 m；對應的錨索排距分別為2.0m、2.2m、2.4m 和2.8m。不同方案下4322綜采工作面巷道圍巖的變形情況如下頁表2 所示。

表2 不同支護方案下4322 綜采工作面巷道圍巖變形情況

如下頁表2 所示，隨著錨桿和錨索排間距的增大對應綜采工作面巷道的圍巖的變形量均在增加。但是，2 號支護方案與1 號支護方案巷道圍巖的變形量相差不大，考慮到錨桿排間距大對應的密度較小，支護成本低以及施工周期短的優(yōu)勢，最終確定采用2 號方案對4322 綜采工作面巷道進行支護[4]。

2.3 巷道支護的初步設計

在數(shù)值模擬的基礎上確定的初步支護方案如下：

采用直徑為22 mm，長度為2 400 mm，排間距為1.1 m 的錨桿；采用長度為7 400 mm，間距為2 000 mm，排間距為2.2 m 的錨索。其中，工作面頂板每排布置錨桿的數(shù)量為6 根，間距為950 mm；兩幫每排布置錨桿的數(shù)量為3 根，間距為1 200 mm；頂板所每排布置錨索的數(shù)量為2 根。4322 綜采工作面巷道的支護斷面如圖2 所示。

圖2 4322 綜采工作面支護斷面圖（單位：mm）

3 綜采工作面巷道支護工業(yè)性試驗

將上述初步設計的支護方案應用于4322 綜采工作面巷道，并通過相應的監(jiān)測方法對巷道表面位移、頂板離層量進行監(jiān)測。

巷道表面位移測量：采用十字布點法每隔1 d對數(shù)據(jù)進行收集一次，設置四個監(jiān)測站。

頂板離層量測量：采用型號為LBY-3 型頂板離層指示儀對工作面巷道頂板圍巖錨固范圍內外的位移值進行測量[5]。

3.1 工作面頂板離層量監(jiān)測

通過在4322 綜采工作面布置20 個頂板離層指示儀，所得的結論為：大部分頂板離層指示儀的數(shù)值為8 mm，其余為0 mm。說明，采用上述支護方案后工作面頂板可視為未出現(xiàn)頂板離層現(xiàn)象。

3.2 工作面巷道圍巖的變形情況

結合上述巷道頂板的位移監(jiān)測結果，得出不同監(jiān)測站的頂?shù)装逦灰迫绫? 所示。

表3 工作面巷道圍巖變形實測值

如表3 所示，采取上述支護方案后，工作面巷道的頂?shù)装宓淖畲笠平繛?45 mm，兩幫的最大移近量為113 mm，變形較小能夠滿足巷道的安全使用。

4 結語

本文以4322 綜采工作面巷道為例通過數(shù)值模擬手段初步確定支護方案，并對最終對支護效果進行試驗，總結如下：

1）通過數(shù)值模擬手段確定錨桿的排間距為1.1 m，錨索的排間距為2.2 m，并在此基礎上詳細完成錨桿及錨索的支護方案；

2）通過對工作面支護后的頂板離層量和巷道表面位移監(jiān)測可知，4322 綜采工作面巷道支護后頂板未出現(xiàn)離層現(xiàn)象；工作面巷道的頂?shù)装宓淖畲笠平繛?45 mm，兩幫的最大移近量為113 mm，變形較小能夠滿足巷道的安全使用。