過煤柱巷道支護方案優(yōu)化分析研究

劉志偉

(大同煤礦集團 云岡礦，山西　大同　037017)

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·試驗研究·

過煤柱巷道支護方案優(yōu)化分析研究

劉志偉

(大同煤礦集團 云岡礦，山西大同037017)

摘要基于過煤柱巷道圍巖穩(wěn)定性的維護問題，分別從煤柱影響范圍內(nèi)外兩個區(qū)域給出了圍巖穩(wěn)定性的維護方案，并針對過煤柱巷道圍巖變形的特殊問題，提出在原有支護基礎上，利用高強蛇形錨桿與特殊鋼帶及金屬網(wǎng)補強維護。實踐表明：該方案的應用無論從經(jīng)濟上還是安全上均取得了較好的效果，為今后類似條件下巷道支護積累了經(jīng)驗，值得推廣應用。

關(guān)鍵詞過煤柱巷道；圍巖穩(wěn)定性；支護；煤柱影響范圍內(nèi)；煤柱影響范圍外；高強蛇形錨桿

1工程概況

忻州窯礦14-3#層8704工作面煤層厚度最大7.73 m，最小1.2 m，平均3.8 m.煤層結(jié)構(gòu)相對復雜，局部含有1層0.4 m左右的夾石。工作面中部低兩側(cè)高，大致呈一向斜構(gòu)造，煤層傾角3°，其中5704巷存在與相鄰工作面采掘交鋒及過煤柱的問題，在與相鄰8706工作面交鋒期間，5704巷局部有炸幫現(xiàn)象，并伴隨有煤炮聲。幫部錨桿托盤與煤壁接觸困難，錨桿支護能力大大降低，同時該巷上部11～16 m分布14-2#層6個工作面的6個采空區(qū)煤柱，局部壓力較大，圍巖變形嚴重?；夭善陂g，當工作面推到過上方采空區(qū)煤柱時，煤壁炸幫嚴重，支架壓力大，兩巷超前段頂板破碎，局部偽頂?shù)袈?，巷道維護困難。

根據(jù)該礦5704巷圍巖支護結(jié)構(gòu)及支護參數(shù)可知，在支護參數(shù)選取時并沒有考慮上方采空區(qū)煤柱對巷道圍巖穩(wěn)定性產(chǎn)生的負面影響而進行支護補強設計，導致過煤柱段圍巖變形破壞嚴重，尤其可能導致該巷道在工作面回采過程中不能滿足正常工作面的需要。因此，研究過煤柱巷道的圍巖支護設計并提出合理的優(yōu)化方案對維護巷道圍巖穩(wěn)定性和安全生產(chǎn)具有重要意義。

2巷道原支護方式及破壞情況

5704巷為8704工作面回風巷，矩形斷面，規(guī)格為凈寬4.0 m×凈高3.6 m，頂板采用錨桿、鋼帶、錨索、菱形金屬網(wǎng)聯(lián)合支護，巷道頂板4根錨桿，長度為1.85 m，排距1.0 m，兩根錨索，長度7.3 m；兩幫采用錨桿掛金屬網(wǎng)支護，護幫錨桿3根，間排距1.1 m.原支護方案示意圖見圖1.

圖1　巷道原支護方案示意圖

地質(zhì)資料表明，8704工作面煤層之上11～16 m為14-2#層(已采)，采空區(qū)內(nèi)留有隔離煤柱，5704巷道遠離上部煤柱影響范圍內(nèi)圍巖在原支護方式下穩(wěn)定性能相對較好，圍巖變形不大，但該巷道上部存在14-2#層6個工作面6個采空區(qū)煤柱，局部壓力較大，煤柱下方圍巖變形較大，兩幫嚴重剝落。通過在煤柱下方安裝錨桿測力計對錨桿軸力進行監(jiān)測，結(jié)果表明，頂板錨桿所受軸力較大，兩幫錨桿失效，尤其煤柱幫出現(xiàn)整體內(nèi)擠現(xiàn)象，同時頂板圍巖沿巷道走向出現(xiàn)1條寬5 mm的裂縫。因此，定性地研究上覆煤柱對巷道圍巖變形破裂的影響，并對煤柱影響范圍內(nèi)圍巖的支護方案進行補強，對該盤區(qū)的順利回采及煤礦的安全運營具有重要意義。

3支護設計依據(jù)

根據(jù)5704巷煤柱影響范圍內(nèi)外圍巖松動圈測試結(jié)果可知：1) 同一測試斷面下煤柱幫松動圈厚度大于工作面幫松動圈的厚度，尤其是過煤柱段測試斷面。2) 過煤柱段巷道圍巖松動圈厚度大于普通段巷道圍巖松動圈厚度。3) 巷道圍巖頂板相對完整，松動圈厚度較小。因此，對該測試巷道進行支護設計時，應首先考慮上覆煤柱的影響，對煤柱影響范圍內(nèi)外的巷道圍巖分開進行支護設計，同時應對工作面幫及煤柱兩幫的護幫支護結(jié)構(gòu)分別進行設計。

巷道圍巖原位強度測試結(jié)果同樣表明，上部采空區(qū)煤柱對下部巷道實體煤幫影響較小，對煤柱幫影響較大，因此，在進行支護設計時應對上部采空區(qū)煤柱下方巷道煤柱幫予以重視。

由于過煤柱及遠離上覆煤柱影響范圍段巷道圍巖不同的原位強度及不同的圍巖變形，在巷道圍巖支護設計時應該分開考慮煤柱影響范圍內(nèi)外頂板支護，煤柱影響范圍內(nèi)兩幫支護以及煤柱影響范圍外兩幫支護，這樣既能達到穩(wěn)定完整圍巖的支護優(yōu)化設計，又能達到破碎不穩(wěn)定圍巖的支護補強設計，實現(xiàn)節(jié)約成本，維護巷道圍巖穩(wěn)定以及為該回采面的順利回采做好準備，同時可以為相鄰8702工作面支護方案的選取提供參考依據(jù)。

4支護方式選取

根據(jù)8704工作面的工程地質(zhì)資料，經(jīng)分析研究可知，在5704過煤柱巷道圍巖支護設計時，應該分別考慮煤柱影響范圍內(nèi)頂板、煤柱影響范圍外頂板、煤柱影響范圍內(nèi)兩幫以及煤柱影響范圍外兩幫的支護參數(shù)選取。因此，在遠離煤柱影響范圍支護方案優(yōu)化設計時，頂板錨桿由原來d20 mm×1 850 mm優(yōu)化為d18 mm×1 800 mm的高強蛇形錨桿，頂板錨索長度由原支護7 300 mm優(yōu)化到5 300 mm；幫部設計同樣由原來d20 mm×1 850 mm優(yōu)化為d18 mm×1 800 mm的高強蛇形錨桿，間排距不變。煤柱影響范圍內(nèi)巷道圍巖支護設計頂板錨桿為d18 mm×2 000 mm的高強蛇形錨桿，托盤型號為150 mm×150 mm×8 mm，頂板鋼帶及頂板錨索保持原支護方式不變，兩幫采用錨桿+菱形網(wǎng)聯(lián)合支護，工作面幫錨桿采用d18 mm×2 000 mm的高強蛇形錨桿，煤柱幫錨桿采用d18 mm×2 400 mm的高強蛇形錨桿，兩幫采用鋼帶托盤，型號為450 mm×280 mm×3.75 mm.

4.1煤柱影響范圍外巷道支護設計方案

煤柱影響范圍外巷道支護方案及支護參數(shù)設計見圖2.

圖2　煤柱影響范圍外巷道支護方案示意圖

具體支護參數(shù)如下：巷道頂板采用錨桿、錨索聯(lián)合支護。其中，錨桿采用高強蛇形錨桿，間排距為1 000 mm×1 000 mm，托盤尺寸為150 mm×150 mm×8 mm，錨索采用五花布置，間排距1 300 mm×1 000 mm，巷道幫部支護設計采用錨桿+金屬網(wǎng)聯(lián)合支護。

4.2煤柱影響范圍內(nèi)巷道支護方案

煤柱影響范圍內(nèi)巷道支護方案設計見圖3.

圖3　煤柱影響范圍內(nèi)巷道支護方案示意圖

具體支護參數(shù)如下：頂板采用錨桿+錨索+鋼帶聯(lián)合支護。其中，頂板錨桿采用高強蛇形錨桿，間排距1 000 mm×1 000 mm，頂板錨索及鋼帶與原支護相同，錨索間排距為1 300 mm×1 000 mm；兩幫護幫支護采用錨桿+菱形網(wǎng)聯(lián)合支護，間排距為1 100 mm×1 000 mm，兩幫采用鋼帶托盤，型號為450 mm×280 mm×3.75 mm.

4.3支護方案的關(guān)鍵問題

1) 5704巷目前仍然使用水泥托盤，這種托盤抗壓強度低、重量重、抗變形能力差，破壞后容易脫落傷人，另外還有部分頂板螺紋鋼錨桿螺母使用2個普通六角螺母，不但強度低容易壓進托盤中，且安裝速度慢，脫落后極易彈射傷人，建議選用有弧形切槽的球形托盤和與之配套的球墊，并且在托盤與螺母之間加上墊片。

2) 建議20 mm左旋無縱筋螺紋鋼錨桿預緊扭矩不小于200 N· m，必要時配備扭矩倍增桿，保證錨桿預緊力不小于70 kN.

3) 嚴格控制鉆孔深度，不論是錨桿還是錨索，鉆孔深度直接影響到實際錨固長度，實際錨固長度又與錨固力直接相關(guān)。鉆孔過深則有一部分錨固劑留在孔底，無法產(chǎn)生作用，直接導致錨固力達不到要求，鉆孔過淺則錨桿外露長度過長，不僅安裝困難，而且會減少錨桿的有效長度，達不到設計要求。

5應用效果分析

5.1經(jīng)濟效益分析

忻州窯礦5704巷原有支護形式為普通錨網(wǎng)支護，支護費用為1 031.6元/m. 在不考慮巷道返修的前提下，現(xiàn)在5704巷以蛇形錨桿及高強讓壓錨索為主體的錨網(wǎng)支護體系，支護成本為520元/m，僅占原有支護成本的50%. 因此，5704巷每米節(jié)約成本約511.6元，巷道總支護長度為1 761 m，共可節(jié)約支護成本約90.1萬元。

5.2社會效益分析

優(yōu)化后的支護方案有利于礦井安全生產(chǎn)和順利建設，減輕了工人的勞動強度，可為其它礦區(qū)類似巷道支護工程提供借鑒和依據(jù)。

6結(jié)論

通過分析各支護方案及現(xiàn)場實踐可知：

1) 過煤柱巷道進行支護設計時，應首先考慮上覆煤柱的影響，對煤柱影響范圍內(nèi)外的巷道圍巖分開進行支護設計，同時應對工作面幫及煤柱兩幫的護幫支護結(jié)構(gòu)分別進行設計。

2) 煤柱影響范圍外巷道頂板錨桿由原來d20 mm×1 850 mm優(yōu)化為d18 mm×1 800 mm的高強蛇形錨桿，頂板錨索長度由原支護7 300 mm優(yōu)化到5 300 mm；幫部設計同樣由原來d20 mm×1 850 mm優(yōu)化為d18 mm×1 800 mm的高強蛇形錨桿，間排距不變。

3) 煤柱影響范圍內(nèi)巷道頂板錨桿為d18 mm×2 000 mm的高強蛇形錨桿，托盤型號為150 mm×150 mm×8 mm：工作面幫錨桿采用d18 mm×2 000 mm的高強蛇形錨桿，煤柱幫錨桿采用d18 mm×2 400 mm的高強蛇形錨桿，兩幫采用鋼帶托盤。

4) 巷道支護方案現(xiàn)場實施過程中，托盤材質(zhì)的選取、錨桿預緊力以及鉆孔深度等均是影響優(yōu)化后方案實施效果的重要因素。

參考文獻

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Research on Optimization Analysis of Crossing Coal Pillar Roadway Supporting Scheme

LIU Zhiwei

AbstractBased on maintenance problem of crossing coal pillar roadway surrounding rock stability, respectively gives the maintenance programs of surrounding rock stability from two regions within and outside influence scope of coal pillar. Aiming at the special problems of crossing coal pillar roadway surrounding rock deformation, puts forward on the basis of the original support using high strength serpentine bolt and special steel strip and metal net reinforcing maintenance. The practice shows that the application of the scheme has achieved good results in both economy and safety. It accumulates experience for roadway supporting under the similar condition in the future, and it is worthy of popularization and application.

Key wordsCrossing coal pillar roadway; Stability of surrounding rock; Supporting; Within influence scope of coal pillar; Outside influence scope of coal pillar; High strength serpentine bolt

中圖分類號：TD353

文獻標識碼：A

文章編號：1672-0652(2016)01-0037-03

作者簡介：劉志偉(1986—)，男，山西天鎮(zhèn)人，2010年畢業(yè)于太原科技大學，助理工程師，主要從事煤礦生產(chǎn)工作(E-mail)liuzhiwei19866@sina.com

收稿日期：2015-12-18