29207 工作面巷道支護(hù)技術(shù)研究

曹克忠

（山西煤炭進(jìn)出口集團(tuán)蒲縣萬家莊煤業(yè)有限公司， 山西 臨汾 041000）

引言

隨著地質(zhì)賦存條件簡單的煤炭資源逐漸枯竭，開始開采地質(zhì)賦存條件較為復(fù)雜的煤層，受到礦山壓力和工作面推進(jìn)影響，工作面巷道圍巖完整性受到破壞，變形較為嚴(yán)重，需針對具體的工作面地質(zhì)環(huán)境進(jìn)行巷道支護(hù)技術(shù)研究[1]。

巷道支護(hù)方式及技術(shù)參數(shù)的選取尤為重要，若強(qiáng)度太高，會(huì)浪費(fèi)支護(hù)材料，造成成本增加；若強(qiáng)度太低，造成巷道圍巖變形嚴(yán)重，影響掘進(jìn)速度，嚴(yán)重時(shí)造成安全事故[2]。目前針對亞辰煤業(yè)29207 工作面皮帶巷頂?shù)装寰唧w地質(zhì)條件進(jìn)行支護(hù)技術(shù)研究。

1 工程概況

亞辰煤業(yè)有限公司位于山西呂梁離石市，礦井井田面積1.5 km2，可采煤層為8 號、9 號，根據(jù)設(shè)計(jì)能力60 萬t/ 年，井田內(nèi)規(guī)劃工作面布置18 個(gè)。29207 工作面地面標(biāo)高977～962 m，工作面標(biāo)高672～708 m。對應(yīng)地面位置：該工作面對應(yīng)地位于工業(yè)廣場以北，區(qū)域地表以黃土梁、峁為主，其次為黃土溝谷的沖溝，切割強(qiáng)烈，溝谷縱橫。主要出露地層為Q2+3、N2。經(jīng)調(diào)查地面無建筑物。

29207 工作面井下位置及四鄰采掘情況：工作面位于9 號煤層左翼，北西與泰業(yè)煤業(yè)相鄰（保安煤柱40 m），東與29206 采空區(qū)相鄰，南與工業(yè)廣場相鄰；對應(yīng)上方間隔6.72～10.62 m 為8 號煤層28206工作面采空區(qū)。工作面所采煤層為9 號煤層，屬穩(wěn)定可采近水平厚煤層，煤層傾角5°～7°，平均6°，煤厚3.9～4.5 m，平均4.2 m，工作面頂?shù)装鍘r性如表1 所示。

2 巷道布置

2.1 平面布置

29207 工作面位于9 號煤左翼盤區(qū)，根據(jù)工作面布置情況及西山煤電函〔2019〕264 號關(guān)于山西呂梁離石西山亞辰煤業(yè)有限公司工業(yè)廣場保護(hù)煤柱變更設(shè)計(jì)的批復(fù)意見，同時(shí)考慮通風(fēng)的工作能力等，設(shè)計(jì)工作面長度為94 m。

表1 工作面頂?shù)装鍘r性表

工作面走向長度根據(jù)29207 皮帶順槽開口位置到井田邊界保安煤柱線的長度來決定，29207 皮帶順槽開口位置到井田邊界保安煤柱線的最近距離為205 m，工作面切眼一端與井田邊界保安煤柱線相交，軌道順槽設(shè)計(jì)長度199 m、皮帶巷設(shè)計(jì)長度為205 m。

2.2 剖面布置

29207 工作面兩巷位于9 號煤層，上覆8 號煤層8.6～10.6m，巷道最大坡度5°，最小坡度2°，平均4°。

3 巷道斷面確定

根據(jù)亞辰煤業(yè)29207 工作面煤層賦存情況及巷道功能屬性，采用梯形斷面巷道。

3.1 巷道凈寬

巷道從一側(cè)需1.0 m 的人行道，另一側(cè)需0.5 m的安全間隙。

式中：B 為巷道凈寬；a 為非人行道側(cè)膠帶輸送機(jī)距巷幫之間的距離，取0.5 m；b 為膠帶輸送機(jī)寬度，取1.4 m；c 為人行道側(cè)膠帶輸送機(jī)距巷幫之間的距離，取1.0 m

將數(shù)據(jù)代入上式可得B＝2.9 m。

綜合考慮最寬設(shè)備（轉(zhuǎn)載機(jī)電機(jī)、破碎機(jī)）錨桿外露長度、管線吊掛及巷道受壓變形等因素，同時(shí)考慮要在皮帶巷內(nèi)進(jìn)行探放水鉆孔的布置，巷道凈寬取3.45 m。

3.2 巷道高度

該工作面9 號煤層為厚煤層，煤層厚度3.80～4.55 m，平均4.3 m。工作面跟底留頂煤掘進(jìn)，取巷道高度2.6 m。按設(shè)備最大高度驗(yàn)算：

式中：h1為設(shè)備高度，取1.9 m；h2為設(shè)備頂部安全距離，取0.3 m；h3為錨索外露長度，取0.2 m；

將數(shù)據(jù)代入上式可得H=2.4 m，能滿足設(shè)備要求。

3.3 巷道凈斷面

S＝（上寬+下寬）×高/2=（3+3.9）×2.6/2＝8.97 m2。

3.4 按風(fēng)速進(jìn)行驗(yàn)算

式中：Q皮為皮帶巷設(shè)計(jì)配風(fēng)量，832 m3/min；V皮為正巷風(fēng)速，V皮=Q皮/（60×S）＝832/（60×8.97）=1.6 m/s

因《煤礦安全規(guī)程》規(guī)定掘進(jìn)工作面半煤巖巷、煤巷風(fēng)速為0.25～4 m/s，故皮帶巷斷面設(shè)計(jì)合理。

4 巷道支護(hù)方式（見圖1）

4.1 巷道支護(hù)參數(shù)

根據(jù)9 號煤層頂板狀況及相鄰工作面經(jīng)驗(yàn)，兩巷均采用錨桿、錨索、工字鋼棚聯(lián)合支護(hù)。具體參數(shù)如下：

頂錨桿采用Φ20 mm×2 200 mm 高強(qiáng)左旋螺紋鋼錨桿，每孔采用2 支K2360 型樹脂藥卷錨固，幫錨桿采用Φ20 mm×2 200 mm 高強(qiáng)左旋螺紋鋼錨桿，每孔采用1 支K2360 型樹脂藥卷錨固，托盤采用140 mm×140 mm×10 mm 鼓型托盤。上下幫角位置錨桿應(yīng)按一定角度予以施工。頂部錨桿、錨索間距為800 mm，排距為800 mm，每排錨桿都用長度為3 050 mm 的鋼筋梯相連，幫部錨桿間距為900 mm，排距為1 000 mm，每排錨桿都用長度為1 850 mm鋼筋梯相連。

錨索采用Φ17.8×6 200 mm 的鋼絞線，點(diǎn)錨索托盤采用300 mm 長的18 號槽鋼梁，錨具采用鎖芯為三瓣的鎖具，鎖具與鋼梁之間要墊一個(gè)140 mm×140 mm×10 mm 的平托盤，錨索在頂板上布置方式為對錨索布置，排距1 000 mm。每根錨索采用3 支K2360 型樹脂藥卷錨固。11 號工字鋼梯形棚布置在錨桿（索）中間，排距800 mm。

工字鋼棚為11 號工字鋼。W 鋼帶長度為3 500 mm。頂金屬菱形網(wǎng)規(guī)格長×寬為3 150 mm×1 200 mm；采用14 號鐵絲隔3 孔編織連接。幫金屬菱形網(wǎng)規(guī)格長×寬為10 m×1.2 m；采用14 號鐵絲隔3 孔編織連接。

圖1 巷道支護(hù)方式圖（單位：mm）

4.2 支護(hù)設(shè)計(jì)參數(shù)驗(yàn)算

4.2.1 錨桿參數(shù)驗(yàn)算

4.2.1.1 錨桿長度

式中：L桿為錨桿長度，m；L1為錨桿外漏長度，取0.15 m；L2為錨桿有效長度，取0.8 m；L3為錨桿錨固長度，取0.4 m；

代入可得L桿=1.35 m，所取錨桿長度2.2 m，可以滿足需求。

4.2.1.2 錨桿直徑

根據(jù)桿體承載力與錨固力等強(qiáng)度原則計(jì)算桿體直徑D：

式中：σt為桿體材料抗拉強(qiáng)度，取490 MPa；Q 為錨固力，取105 kN。

帶入計(jì)算公式可得D=16.44 mm，所取錨桿直徑為20 mm，可以滿足需求。

4.1.2.3 錨桿間排距

錨桿間排距s1、s2按錨桿等距排列：

式中：γ 為容重，取25 kN/m3；K 為錨桿安全系數(shù)，取2。

代入數(shù)據(jù)：s1=s2=1.32 m，因該數(shù)據(jù)大于實(shí)際頂、幫部錨桿間排距，所取錨桿間排距可以滿足需求。

4.2.2 錨索參數(shù)驗(yàn)算

4.2.2.1 錨索長度

錨索長度可參考下式確定：

式中：L索為錨索長度，m；L4為錨索外露長度，取0.4 m；L5為潛在的不穩(wěn)定巖層高度，m；L6為錨索錨固長度，取2.2 m。

根據(jù)9 號煤層圍巖地質(zhì)特征，錨索最好能夠錨固在較穩(wěn)定的巖層中，即錨固在8 號煤層底板粉砂巖中。8 號煤層已經(jīng)開采完畢，上覆圍巖的垮落導(dǎo)致8 號煤層底板圍巖產(chǎn)生裂隙，這不利于錨固劑發(fā)揮錨固特性，因此潛在的不穩(wěn)定巖層高度L5為3 m。因此錨索長度L=0.4+3+2.2=5.6 m，所取錨索長度為6.2 m 可以滿足需求。

4.2.2.2 錨索密度

對于一般巷道，每2～3 排錨桿布置1～2 根錨索比較可行。但考慮到回采和煤柱集中支承壓力導(dǎo)致巷道圍巖破碎范圍擴(kuò)大，因此需要適量增大錨索數(shù)量，即巷道頂板、兩幫每2 排錨桿布置3～4 根錨索。

以29201 工作面軌道巷為例，頂板長度為3.35 m，在沿巷道軸向1.6 m 范圍內(nèi)，安裝了7 根錨桿和3根錨索。經(jīng)查錨桿的抗拉強(qiáng)度為340 MPa，Φ17.8mm的錨索拉斷載荷為353 kN，因此，巷道頂板的支護(hù)阻力理論值為：（106.76×7+353×3）/（3.35×1.6）=0.337 MPa.

而僅采用錨桿進(jìn)行頂板支護(hù)時(shí)，支護(hù)阻力為：

（106.76×10）/（3.35×1.6）=0.119 MPa.

可見，安裝錨索后，巷道頂板的支護(hù)阻力為全錨桿支護(hù)的2.83 倍。

4.2.3 工字鋼棚參數(shù)設(shè)計(jì)

在設(shè)計(jì)中采用了工字鋼棚進(jìn)行加強(qiáng)支護(hù)，雖然棚式支護(hù)屬于“被動(dòng)”支護(hù)，基本不具有初撐力，只是在圍巖變形后，隨著圍巖變形的增加支架支護(hù)阻力隨之增加，但是通過架設(shè)工字鋼棚，可以加強(qiáng)巷道表面支護(hù)強(qiáng)度，確保巷道表面圍巖穩(wěn)定。工字鋼棚架設(shè)的位置主要考慮到工字剛棚架設(shè)與錨桿索之間不相互干擾，因此工字鋼棚的排距設(shè)置為800 mm，安裝在每兩排錨桿之間。工字鋼棚型號為礦上現(xiàn)有的11號工字鋼棚。

5 工業(yè)試驗(yàn)

亞辰煤業(yè)29207 工作面巷道采用如上支護(hù)技術(shù)方案進(jìn)行支護(hù)工作，為研究以上方案參數(shù)的合理性及巷道圍巖的變形量，在巷道每隔45 m 設(shè)置一個(gè)測站，分別記錄巷道兩幫及頂?shù)装遄冃瘟俊?/p>

由圖2 可知，在工作面回采期間，兩幫移近量穩(wěn)定在117 mm，頂?shù)装逡平糠€(wěn)定在57 mm，完全可以保證巷道安全穩(wěn)定，保障工作面的正?；夭尚枨?。

圖2 巷道變形量分析

6 結(jié)論

針對亞辰煤業(yè)29207 工作面巷道支護(hù)等問題，根據(jù)巷道布置以及煤層賦存情況，設(shè)計(jì)巷道均采用梯形斷面，斷面尺寸為：上寬3.0 m，下寬3.9 m，凈高2.6 m；通過9 號煤層頂板狀況及相鄰工作面支護(hù)經(jīng)驗(yàn)，兩巷均采用錨桿、錨索、工字鋼棚聯(lián)合支護(hù)。具體結(jié)果如下：

1）頂錨桿采用Φ20×2 200 mm 高強(qiáng)左旋螺紋鋼錨桿，幫錨桿采用Φ20×2 200 mm 高強(qiáng)左旋螺紋鋼錨桿，托盤采用140 mm×140 mm×10 mm 鼓型托盤。錨桿間排距800 mm×800 mm。

2）錨索采用Φ17.8 mm×6 200 mm 的鋼絞線，鎖具與鋼梁之間要墊一個(gè)140 mm×140 mm×10 mm的平托盤，排距1 000 mm。

3）通過現(xiàn)場工作面實(shí)際應(yīng)用變形量監(jiān)測，證明此支護(hù)方案可以保證29207 工作面巷道的安全穩(wěn)定。