盤道煤礦“三三一”支護技術(shù)的研究與應用

張宏斌

（忻州市煤礦安全生產(chǎn)監(jiān)管檢查組，山西 忻州 034000）

1 礦井概況

山西忻州原平龍礦盤道煤業(yè)有限公司位于原平市段家堡鄉(xiāng)段家堡村東北2.5km處，寧武煤田軒崗礦區(qū)的東北部，批準礦井開采2～5號煤層，批采標高＋1 559.99～＋899.99m，生產(chǎn)規(guī)模為1.2Mt／a，礦井地處黃土高原，呂梁山北段東翼，屬剝蝕侵蝕中山地貌類型，溝谷發(fā)育，地形切割劇烈。地勢總體東高西低，最高點位于井田東北角，標高為＋1 685.1m，最低點位于井田南部溝谷，標高為＋1 281.2m，最大相對高差為403.9m。煤層位于太原組中上部，厚度變化較大，煤系地層主要由砂質(zhì)泥巖或泥巖、中粒砂巖和煤組成，主要特點是：硬度f＝3～10，頂板完整，巷道開挖后，壓力顯現(xiàn)不明顯，且頂板不易垮落。但因節(jié)理較為發(fā)育，滑面較多，自穩(wěn)性差，承載能力小，易風化、潮解。

2 課題立項背景

煤炭市場一路下行，經(jīng)濟壓力逐步加大，如何保證支護安全，提高支護強度，降低支護成本，這是擺在工程技術(shù)人員面前的煤巷支護的技術(shù)難點之一。盤道煤礦以往在煤巷掘進過程中使用錨桿支護墨守陳規(guī)，為了促進錨桿支護的改革，通過理論計算以及礦壓在線監(jiān)測系統(tǒng)分析和研究，對煤巷錨桿支護技術(shù)試驗應用，并取得了成功。

現(xiàn)有的支護方式錨桿間距小，鉆孔直徑大，藥卷直徑大，造成職工勞動強度大、效率低、掘進成本高，為進一步優(yōu)化支護形式，提高經(jīng)濟效益，在巷道支護上進行“三三一”（即三小三高一低：小孔徑、小藥卷、細錨桿、高強度、高剛度、高可靠性與低支護密度）支護技術(shù)的研究與應用，使“三三一”支護技術(shù)在提高巷道掘進速度、降低巷道掘進成本、改善巷道掘進工作面作業(yè)環(huán)境等方面取得顯著效果，既提高了支護強度和單進水平，又大大減少了巷道支護費用的投入。

3 項目研究思路

經(jīng)過支護改革項目組研究，決定在三采巷道進行“三三一”支護試驗，并采用頂板動態(tài)設測點對巷道實時進行觀測，通過不斷的試驗，積累各種經(jīng)驗，最后進行項目的總結(jié)、鑒定和優(yōu)化支護形式，使“三三一”支護技術(shù)在該礦形成一套成熟的支護技術(shù)。

3.1 錨桿鉆機的選擇

由風動錨桿鉆機取代煤電鉆和液壓鉆機。由于風動錨桿鉆機結(jié)構(gòu)簡單，不易損壞，故障率低，拆卸方便，維修保養(yǎng)簡單，輸出功率大，推進力大，能夠降低勞動強度，提高工作效率。

3.2 功效情況

根據(jù)前期現(xiàn)場實際測算，使用小鉆頭，鉆眼速度在2號煤（f＝2～3）中，鉆眼速度可提高20%；在灰色泥巖巖（f＝4～6）中，鉆眼速度可提高32%；在砂巖（f＝8～10）中，鉆眼速度可提高50%以上。采用小直徑鉆頭鉆眼，能夠提高單位時間內(nèi)的鉆眼速度，從而節(jié)省鉆眼時間，減少用風量，有利于降低電耗。

提高了單進和工效，“三三一”技術(shù)能充分發(fā)揮鉆眼速度快、循環(huán)打眼時間短的優(yōu)勢，在提高錨桿強度與剛度、保證支護系統(tǒng)可靠性的條件下，降低支護密度，減少單位面積上錨桿數(shù)量，提高掘進速度。

4 “三三一”支護技術(shù)研究

4.1 煤層頂?shù)装鍘r性及構(gòu)造形態(tài)（見表1）

表1 頂?shù)装鍘r性特征表

煤層底板的整體起伏形態(tài)為北東向南西傾斜的單斜構(gòu)造，局部伴有次級褶曲。從2號煤層底板等高線可以看出：區(qū)內(nèi)底板標高在1 370m～980m之間，傾角11°～23°，最淺部分位于測區(qū)的北東部，標高1 370m，最深部分位于測區(qū)的南西部，標高為980m。

4.2 盤道煤業(yè)地層綜合情況（見表2）

表2 煤層綜合柱狀表

5 支護技術(shù)理論依據(jù)

5.1 支護技術(shù)方案

經(jīng)過支護改革項目組研究，在三采區(qū)巷道進行“三小三低一高”支護試驗，并采用頂板動態(tài)設測點對巷道實時進行觀測，通過不斷的試驗，積累各種經(jīng)驗，最后進行項目的總結(jié)、鑒定和優(yōu)化支護形式，使“三小三高一低”支護技術(shù)在礦區(qū)形成一套成熟的支護技術(shù)。

5.2 試驗巷道的技術(shù)條件

3201材料巷沿2號煤層頂板掘進，綜掘機械化施工，巷道凈高3.3m，凈寬3.2m。2號煤層厚3.14～4.0m，平均3.5m，傾角14°，硬度f＝2.0～3.0，上分層主要為光亮型，偶見直徑為0.1m的黃鐵礦結(jié)核；下分層各種類型均有，且橫向變化明顯，為暗淡型和半暗淡型；直接頂為灰色泥頁巖，厚1.0～1.5m，節(jié)理發(fā)育，f＝3～4；老頂為灰白色K2砂巖，厚6.0m，裂隙發(fā)育，含方解石、長石及黑色礦物，巖石硬度f＝5～6；直接底為灰白色泥巖，厚2.55m，較為堅硬，下邊為4.1m厚的灰色砂質(zhì)泥巖，裂隙發(fā)育。

5.3 礦壓觀測依據(jù)

為了確?！叭弧敝ёo形式對頂板維護的可靠性，在掘進的同時，采用目前較為先進的KJ216型頂板動態(tài)在線監(jiān)測系統(tǒng)對巷道進行了表面位移、頂板離層等綜合礦壓觀測，為調(diào)整、優(yōu)化支護參數(shù)提供了依據(jù)。

5.4 “三三一”支護依據(jù)

按懸吊理論計算錨桿參數(shù)。

1）錨桿長度計算。

式中：L為錨桿長度，m；H為冒落高度，m；K為安全系數(shù)，一般取K＝2；L1為錨桿錨入穩(wěn)定巖層的深度，一般按經(jīng)驗取0.5m；L2為錨桿在巷道中的外露長度，一般取0.1m。

施工過程中，錨桿長度取1.5m。

2）錨桿直徑計算。

式中：D為錨桿直徑，m；L為錨桿長度，m；D＝1.5÷110＝0.013 6m

施工時選擇錨桿直徑為0.016m。

3）錨桿間排距及錨桿直徑計算。

式中：a為錨桿間排距，m；Q為錨桿設計，錨固力分別為：直徑16mm錨桿50kN／根，直徑18mm錨桿70kN／根；H為冒落拱高度，取1.25m；r為被懸吊砂巖的重力密度，取19.992kN／m3；K為安全系數(shù)，一般取K＝2。

根據(jù)現(xiàn)場實際測算，采用小鉆頭小鉆桿鉆眼速度在2號煤（f＝2～3）中，鉆眼速度可提高20%；在灰色泥巖（f＝4～6）中，鉆眼速度可提高32%；在砂巖（f＝8～10）中，鉆眼速度可提高50%以上。采用小直徑鉆頭鉆眼，能夠提高單位時間內(nèi)的鉆眼速度，從而節(jié)省鉆眼時間，減少用風量，有利于降低電耗。

5.5 支護效果及觀測結(jié)果分析

為開展礦壓觀測工作，指導礦井采掘活動，委托山東省尤洛卡自動化裝備股份有限公司安裝了KJ216頂板動態(tài)在線監(jiān)測礦壓觀測系統(tǒng)。該系統(tǒng)是一套專業(yè)用于礦井礦壓綜合在線實時監(jiān)測系統(tǒng)，同時集成了專業(yè)化礦壓監(jiān)測理論和方法，實現(xiàn)了礦壓監(jiān)測的數(shù)字化和網(wǎng)絡化。系統(tǒng)于2013年5月份開始運行工作至今，基本查明了盤道煤業(yè)一、三采區(qū)礦壓顯現(xiàn)規(guī)律；通過觀測獲得的數(shù)據(jù)資料和數(shù)據(jù)分析，較全面總結(jié)了盤道煤業(yè)的礦壓顯現(xiàn)規(guī)律，為采掘工作面支護設計提供了較為可靠的參數(shù)依據(jù)。通過一年的持續(xù)觀測記錄，采用“三三一”支護的巷道頂板離層傳感器數(shù)值沒有明顯波動，沒有發(fā)生離層現(xiàn)象。表面位移觀測的結(jié)果為頂板下沉25mm，兩幫移近8mm和6mm，在巷道掘出約15d后，基本趨于穩(wěn)定，相比原支護方式對比，頂板下沉量和兩幫移近明顯減小，說明此種支護合理。從觀測到的錨桿受力情況看，都發(fā)揮了積極作用，提高了圍巖整體性能，有效阻止了錨桿錨固范圍的頂板離層和煤壁片幫。

6 研究結(jié)論

根據(jù)巷道壓力顯現(xiàn)規(guī)律，我們對支護工藝參數(shù)不斷進行優(yōu)化，對施工工藝不斷改進，“三三一”技術(shù)能充分發(fā)揮鉆眼速度快、循環(huán)打眼時間短的優(yōu)勢，在提高錨桿強度與剛度、保證支護系統(tǒng)可靠性的條件下，降低支護密度，減少單位面積上錨桿數(shù)量，提高了單進和工效。每米降低材料、人工、電耗等成本約370元，年降低支護成本近300萬元。通過不斷地進行支護研究試驗，并采用頂板動態(tài)設測點對巷道實時進行觀測，認為“三三一”支護技術(shù)切實可行，在提高巷道掘進單進、降低支護成本、改善巷道掘進工作面作業(yè)環(huán)境等方面取得了顯著效果，提高了支護強度和單進水平，大大減少了巷道支護費用的投入，使“三三一”支護技術(shù)日趨成熟。

試驗是成功的，突出優(yōu)點表現(xiàn)在降低了勞動強度，提高了效率；巷道維護效果好；節(jié)省大量材料，節(jié)支降耗效果顯著，安全可靠性大。