宏遠(yuǎn)煤業(yè)150202工作面巷道布置及支護(hù)技術(shù)研究

李 剛

（山煤集團(tuán)左權(quán)宏遠(yuǎn)煤業(yè)有限公司，山西 左權(quán) 032600）

0 引言

厚煤層綜放開采是厚煤層采煤方法中最為安全高效的開采方法之一，而工作面巷道的布置是放頂煤開采中較為關(guān)鍵的一步，巷道位置選取合理，則容易維護(hù)且煤炭資源回收率高；反之，則容易發(fā)生安全事故[1]。國內(nèi)外研究學(xué)者對放頂煤開采方法及巷道布置、支護(hù)技術(shù)等進(jìn)行了大量的試驗(yàn)和研究。李東明[2]針對急傾斜煤層放頂煤開采方煤巷道的合理位置、斷面設(shè)計(jì)及支護(hù)形式進(jìn)行了分析，選取了合理的參數(shù)，并得到了成功應(yīng)用；常慶靈[3]針對大采深高瓦斯松軟厚煤層進(jìn)行了分析，選取了雙回路巷道布置及讓壓錨桿支護(hù)方式；劉長武[4]針對厚煤層沿底巷道錨網(wǎng)索支護(hù)參數(shù)進(jìn)行了全面優(yōu)化。但是，由于目前的厚煤層放頂煤工作面巷道合理位置及支護(hù)方式確定，大多都是根據(jù)工程類比法及現(xiàn)場經(jīng)驗(yàn)得到，這對于不同的地質(zhì)條件下顯然不夠科學(xué)。因此，針對具體礦區(qū)巷道位置及支護(hù)方式的研究對于放頂煤開采的安全生產(chǎn)和提高煤炭采出率具有重要意義。

1 工程概況

山煤集團(tuán)宏遠(yuǎn)煤業(yè)150202工作面采用放頂煤開采方法，15#煤層厚度為4.0～6.5m，平均為4.8m，傾角為-3°～8°，煤層硬度為0.8～1.0f煤層結(jié)構(gòu)簡單，整體工作面15#煤層厚度變化不大，15#上均厚1.6m。15#與15#上煤層之間夾矸以碳質(zhì)泥巖為主，均厚0.8m。直接頂為泥巖、砂質(zhì)泥巖，以黑色為主，水平層理結(jié)構(gòu)致密，平均厚度為2.2m，直接底為鋁質(zhì)泥巖、泥巖，灰色，結(jié)構(gòu)質(zhì)地較軟，裂隙發(fā)育，平均厚度為2.6m。現(xiàn)針對150202綜放工作面的巷道合理位置及支護(hù)形式進(jìn)行研究確定。

2 工作面回采巷道合理位置確定

2.1 巷道布置方式研究

現(xiàn)階段，厚煤層放頂煤開采巷道布置方式主要有兩種，即沿底巷道和沿頂巷道，兩種巷道布置方式都有優(yōu)缺點(diǎn)。

圖1 放頂煤巷道布置方式

1）沿底巷道布置方式。如圖1左圖所示，巷道為沿底巷道，上部留有頂煤，底部直接接觸底板巖層。此類巷道布置方式巷道底板完整，底板平整連續(xù)不容易發(fā)生底鼓現(xiàn)象，而巷道頂板為頂煤，易冒落，容易形成高冒區(qū)，但煤炭采出率較高。

2）沿頂巷道布置方式。如圖1右圖所示，巷道為沿頂巷道，上部直接與頂板相接，頂板平整連續(xù)，不容易發(fā)生冒落，但底板留有底煤，容易發(fā)生底鼓現(xiàn)象，采用沿頂巷道布置工作面時(shí)，工作面兩端容易形成三角煤，不利于提高煤炭采出率，造成煤炭資源的浪費(fèi)。

2.2 巷道布置方式確定

由于宏遠(yuǎn)煤業(yè)150202工作面15#煤層厚度為4.8m，巷道采用沿底布置時(shí)，留有頂煤厚度不大，僅為1.8m，采用錨桿支護(hù)時(shí)，錨桿可以穿過頂煤，固定于較為穩(wěn)定的頂板巖層中，從而達(dá)到保證巷道圍巖穩(wěn)定的效果，也可避免沿頂布置時(shí)留有三角煤造成煤資源浪費(fèi)。

因此，150202工作面分別布置運(yùn)輸巷道、回風(fēng)巷道、高抽巷和切巷，其中150202運(yùn)輸巷道沿15#煤層底板布置，采用矩形斷面，長×寬：4.5m×3m，用來進(jìn)風(fēng)、行人及運(yùn)煤；150202回風(fēng)巷道沿15#煤層底板布置，采用矩形斷面，長×寬：4.5m×3m，用來回風(fēng)、行人及輔助運(yùn)料；150202高抽巷布置沿基本頂灰?guī)r布置，與150202回風(fēng)巷道內(nèi)錯(cuò)10m，用來抽放瓦斯；開切眼沿煤層傾向布置。工作面巷道布置如圖2所示。

圖2 工作面巷道布置方式圖

3 回采巷道支護(hù)方式確定

對于宏遠(yuǎn)煤業(yè)150202工作面采用沿底巷道布置方式，上部存在一定厚度的頂煤，巷道頂板圍巖強(qiáng)度較低。因此，弄清巷道圍巖變形破壞機(jī)理及其支護(hù)體與圍巖之間關(guān)系是正確選擇支護(hù)形式的基礎(chǔ)條件。

3.1 錨桿作用機(jī)理

巷道開挖后，所處應(yīng)力環(huán)境發(fā)生變化，巷道圍巖容易發(fā)生變形，安裝錨桿后可以對頂板及兩幫巷道圍巖的變形進(jìn)行有效的控制，保障了巷道圍巖的完整性。

1）錨桿主要作用于控制巷道錨固區(qū)域內(nèi)圍巖的滑動(dòng)、離層、裂隙張開等破壞，防治圍巖發(fā)生彎曲變形與剪切破壞，使巷道圍巖盡可能處于受壓狀態(tài)，提高錨桿錨固區(qū)巷道圍巖的整體強(qiáng)度，從而保證巷道的穩(wěn)定性。

2）為了防止錨桿受力較大而發(fā)生較大的變形，錨桿支護(hù)系統(tǒng)需有滿足巷道現(xiàn)場條件足夠大的剛度。

如圖3所示，利用UDEC離散元軟件模擬有無錨桿支護(hù)時(shí)巷道圍巖的變形情況。圖a為無支護(hù)結(jié)構(gòu)時(shí)，巷道圍巖發(fā)生了較大的變形，圖b位巷道加上錨桿支護(hù)系統(tǒng)后，圍巖得到了有效地控制，變形很小，由此可見，錨桿可以對巷道圍巖變形起到有效的控制作用。

圖3 有無錨桿支護(hù)時(shí)巷道圍巖的變形情況

3.2 巷道支護(hù)參數(shù)確定

宏遠(yuǎn)煤業(yè)150202放頂煤工作面巷道采取4.5m×3m矩形斷面，采取錨桿+錨索聯(lián)合支護(hù)。具體參數(shù)[5]選取如下：

1）頂錨桿長度計(jì)算：

式中：L為錨桿長度，m；L1為錨桿外露長度（取決于錨桿類型和構(gòu)造要求），0.1m；L2為潛在冒落拱高度，3.2m；L3為錨桿錨入穩(wěn)定巖層的深度，0.3 m；

根據(jù)宏遠(yuǎn)煤業(yè)150202工作面巷道頂煤厚度1.8m，L2取值 1.8m。

L=L1+L2+L3=0.1+1.8+0.3=2.2m；因此，選用頂錨桿長度為2.2m。

幫錨桿長度計(jì)算時(shí)，L2取巷道圍巖松動(dòng)圈厚度，根據(jù)巷道圍巖類型取1.6m，可得到幫錨桿長度為2.0m。

2）錨桿排距計(jì)算。

對于采用錨桿支護(hù)巷道時(shí)，錨桿間排距D可由下式計(jì)算：

D≤0.5L，式中，L為錨桿長度。

由此可以計(jì)算得到頂錨桿間排距為1100mm，幫錨桿間排距為1000mm。

3）確定錨索長度。

式中：L為錨索總長度，m；L1為需要外露的張拉長度，0.3m；L2為需要錨固的不穩(wěn)定巖層厚度，5m；L3-錨索錨固到較穩(wěn)定巖層的錨固長度，1.65m。

因此，選用錨索長度為7m。

4）錨索間排距的確定。

式中：Q為錨索的破斷力，根據(jù)工作面現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)取353kN；k為安全系數(shù)，一般取1.5；a為錨索間排距；G為危巖載荷，根據(jù)巷道圍巖巖性，取147kN/m.

可以計(jì)算得到a=1.6m。

因此，可以得到巷道支護(hù)參數(shù)為：頂錨桿長度為2.2m，間排距為1100mm×1100mm，幫錨桿長度為2m，間排距為1000mm×1000mm，錨索長度為7m，間排距為1600mm×1600mm。

4 工業(yè)實(shí)驗(yàn)

掘進(jìn)巷道后，選取150202工作面運(yùn)輸巷道進(jìn)行巷道支護(hù)效果的監(jiān)測，采用十字布點(diǎn)法針對巷道的頂板下沉量、左幫移近量、右?guī)鸵平考暗装骞钠鹆窟M(jìn)行檢測，在運(yùn)輸巷道每隔50m設(shè)置一個(gè)測點(diǎn)，觀測周期為30天。提取數(shù)據(jù)，進(jìn)一步處理后可以得到如圖4所示巷道圍巖表面變形位移變化圖。

由圖4可知，宏遠(yuǎn)煤業(yè)150202放頂煤工作面運(yùn)輸巷道在采取錨桿+錨索聯(lián)合支護(hù)方式后，掘進(jìn)0～20天內(nèi)，變形量較大，20天后，巷道圍巖變形量趨于緩和。最終運(yùn)輸巷道頂?shù)装逡平糠€(wěn)定在110mm，兩幫移近量穩(wěn)定在58mm，巷道變形量在錨桿+錨索聯(lián)合支護(hù)方式下，得到了有效的控制，保證了工作面的安全生產(chǎn)。

圖4 巷道圍巖位移變形量圖

5 結(jié)束語

對現(xiàn)階段厚煤層放頂煤工作面回采巷道合理位置及支護(hù)方式確定等問題，分析了現(xiàn)有的兩種巷道布置方式優(yōu)缺點(diǎn)，根據(jù)宏遠(yuǎn)煤業(yè)150202工作面具體情況選用了沿底巷道方式，分析了現(xiàn)有錨桿技術(shù)對巷道圍巖的作用機(jī)理，采用UDEC模擬了有無錨桿時(shí)，巷道的變形情況，最后根據(jù)現(xiàn)場經(jīng)驗(yàn)及公式選取了錨桿+錨索聯(lián)合支護(hù)方式，并確定了具體支護(hù)參數(shù)，并在150202工作面得到了成功應(yīng)用。