工作面煤巷支護狀況監(jiān)測及優(yōu)化研究

侯志鵬

（山西高平科興牛山煤業(yè)有限公司， 山西 高平 048400）

引言

綜采工作面的回采巷道為整個礦井的重要組成部分，巷道的安全性在很大程度上受制于其所采用的支護方案，進而影響整個礦井的生產(chǎn)效率和安全性。眾所周知，煤巷在最初的支護設(shè)計均是在勘探的基礎(chǔ)上完成的，而勘探結(jié)果與實際煤巷情況存在一定的差距，進而導(dǎo)致煤巷支護存在欠支護或過支護的狀態(tài)，造成工作面的安全性減弱或支護材料的浪費[1]。因此，需加強對煤巷支護狀況的監(jiān)測，并根據(jù)監(jiān)測結(jié)果實時、有效地對支護參數(shù)進行優(yōu)化，以確保煤巷的真正的安全性。

1 工程概況

牛山煤礦開采方式為地下開采，生產(chǎn)規(guī)模120萬t/a，有效期限為24a，可開采煤層為3#—15#煤。井田內(nèi)可采煤層為 3、9、15 號煤層，3、9、15 號均為全區(qū)穩(wěn)定可采煤層，其中3 號煤為井田內(nèi)主要的可采煤層，位于山西組的下部，井田四周均有風(fēng)化剝蝕。煤層厚 0～9.17 m，平均 5.71 m，含夾矸 0～3 層，一般0～2 層，結(jié)構(gòu)簡單，為全井田穩(wěn)定可采煤層。經(jīng)探測可知，3 號煤層所屬工作面的首采面回風(fēng)順槽的頂?shù)装迩闆r如表1 所示。

根據(jù)晉科司發(fā)[2018]625 號文《山西科興能源發(fā)展有限公司關(guān)于2018 年度礦井瓦斯等級鑒定審查結(jié)果的通知》：該礦瓦斯絕對涌出量為5.68 m3/min，掘進最大絕對涌出量為0.25 m3/min，二氧化碳絕對涌出量為3.79 m3/min，批復(fù)為低瓦斯礦井。

2 煤巷支護狀況的監(jiān)測

為全面檢查巷道錨桿支護的工作狀態(tài)，監(jiān)控巷道受到采動影響前后的狀況，掌握圍巖的變形規(guī)律，以確定巷道的穩(wěn)定程度，以便及時采取相應(yīng)的處理措施，并且通過監(jiān)測來驗證設(shè)計的合理性，檢驗支護質(zhì)量，同時為修改設(shè)計提供科學(xué)依據(jù)[2]。為此，設(shè)計礦壓觀測斷面，并對煤巷頂板離層量、深部位移以及錨桿和錨索的工作載荷進行監(jiān)測。支護現(xiàn)狀：所選頂錨桿的直徑為18 mm，長度為2 600 mm，錨桿間距為1 200 mm，排間距為1 200 mm，每排錨桿的數(shù)量為5根，錨桿類型為左旋無縱筋螺紋錨桿；所選幫錨桿的直徑為18 mm，長度為2 100 mm，錨桿間距為1 000 mm，排間距為1 200 mm，每排錨桿的數(shù)量為4根，錨桿類型為玻璃錨桿。

表1 3 號煤層工作面頂?shù)装迩闆r

2.1 監(jiān)測方案的設(shè)計

根據(jù)現(xiàn)場圍巖變形情況每50～60 m 設(shè)一處測站（為監(jiān)測斷層附近或特殊圍巖條件的巷道變形，觀測斷面間距可以適當擴大和縮?。^測點應(yīng)在巷道掘出后及時布設(shè)，頂板離層觀測每30～50 m 在巷道頂板中部設(shè)一離層指示儀。

頂板離層監(jiān)測方案：采用頂板離層儀和鉆孔窺視儀進行觀測，鉆孔窺視儀可以直接觀察7 m 深鉆孔的巖層結(jié)構(gòu)、層理、各類弱面和離層情況。

深部位移監(jiān)測方案：巷道圍巖深部位移觀測采用深基點位移計進行觀測，每個測面安設(shè)1 個深基點位移計。安設(shè)當天進行第一次測量，以后每天觀測一次，一個月后3 d 觀測一次。

錨桿錨索工作載荷監(jiān)測方案：本測試采用錨桿、錨索應(yīng)力計進行。使用時，首先將壓力盒套在錨桿、錨索托盤和外錨頭的螺母之間，然后緊固螺母，對錨桿、錨索施加預(yù)應(yīng)力，記錄下壓力盒指示的初始值，此后，每天量測一次，在采煤工作面推進至距頂板錨桿應(yīng)力計20 m 的范圍內(nèi)后，要加強觀測，發(fā)現(xiàn)異常及時匯報。每個測站選擇兩根錨桿、錨索布置兩個應(yīng)力計[3]。

2.2 煤巷支護狀況監(jiān)測結(jié)果分析

2.2.1 頂板離層量的監(jiān)測

根據(jù)上述的監(jiān)測方案進行布置，所得的監(jiān)測結(jié)果如圖1 所示。

圖1 頂板離層量監(jiān)測結(jié)果

如圖1 所示，所設(shè)計的7 m 鉆孔中分別距離煤壁為 0.5 m、1 m、1.5 m、2 m、2.5 m、3 m、3.5 m、4 m、4.5 m、5 m、5.5 m、6 m、6.5 m 以及 7 m 的離層量進行監(jiān)測。分析圖1 可知，當距離工作面越遠時頂板幾乎不受采動的影響，最大離層量為2 mm；但是，當距離工作面的距離小于50 m 時，頂板的下車速度明顯增加，且距離煤壁越遠離層量越大，最大離層量可達22 mm。

2.2.2 深部位移的監(jiān)測

根據(jù)上述方案進行布置，所得深部位移的監(jiān)測結(jié)果如圖2 所示。

圖2 煤巷深部位移監(jiān)測結(jié)果

如圖1 所示，當距離回采工作面大于53 m 時，其頂板下沉量和兩幫位移量變化范圍較小，可認為在距離回采工作面53 m 以外的工作面處于穩(wěn)定狀態(tài)；當距離回采工作面小于53 m，即越靠近工作面，頂板下沉和兩幫變形越嚴重，其中頂板的最大下沉量可達30 mm，兩幫最大變形量可達38 mm。

2.2.3 錨桿工作載荷的監(jiān)測

根據(jù)上述方案進行布置，所得錨桿的工作載荷監(jiān)測結(jié)果如表2 所示。

如表2 所示，目前支護方式下錨桿錨固力達不到設(shè)計要求，及錨桿支護的效果較差。

表2 錨桿工作載荷監(jiān)測結(jié)果 kN

3 煤巷支護狀況的優(yōu)化

結(jié)合“2”中對工作面支護狀況的監(jiān)測結(jié)果需對錨桿和錨索支護參數(shù)進行重新設(shè)計[4]。采用理論計算手段結(jié)合首采回風(fēng)順槽的實際情況實現(xiàn)對煤巷支護狀況的優(yōu)化，優(yōu)化后的支護效果如圖3 所示。對煤巷支護優(yōu)化后的具體參數(shù)如下：

圖3 煤巷支護的優(yōu)化示意圖（單位：mm）

1）針對頂板支護采用錨桿與錨索的聯(lián)合支護方式。其中，頂錨桿的直徑為22 mm，錨桿長度為2 400 mm，錨桿類型為左旋螺紋鋼高強錨桿，錨桿間距為1 150 mm，錨桿排間距為1 000 mm，每排錨桿的數(shù)量為5 根；采用加長樹脂錨固劑（K2335 和Z2360）對錨桿進行錨固，保證鉆孔的直徑不大于30 mm；要求錨桿的預(yù)緊力大于300 N·m[5]；為保證錨桿的支護效果，在上述基礎(chǔ)上增加規(guī)格尺寸為100 mm×100 mm 的鋼筋網(wǎng)，總長度為5.2 m，寬度為1.5 m。錨索的直徑為17.8 mm，長度為6 300 mm，錨索間距為2 300 mm，錨索排間距為2 000 mm；采用1 卷K2335 和2 卷Z2360 樹脂錨固劑對錨索進行錨固，要求錨索預(yù)緊力大于300 kN。

2）針對兩幫支護采用錨桿支護方式。其中，頂錨桿的直徑為22 mm，錨桿長度為2 400 mm，錨桿類型為左旋螺紋鋼高強錨桿（煤柱幫）和玻璃錨桿（開采幫），錨桿間距為1 100 mm，錨桿排間距為1 000 mm，每排錨桿的數(shù)量為4 根；采用Z2360 錨固劑對錨桿進行錨固，保證鉆孔的直徑不大于30 mm；要求錨桿的預(yù)緊力大于300 N·m；為保證錨桿的支護效果，在上述基礎(chǔ)上增加規(guī)格尺寸為100 mm×100 mm的鋼筋網(wǎng)，總長度為4.1 m，寬度為1.5 m。

4 結(jié)語

一直以來，綜采工作面的支護效果直接決定煤礦生產(chǎn)安全性和效率。在實際開采或掘進中，巷道的支護狀態(tài)處于動態(tài)變化范圍，需定期對煤巷的支護狀況進行監(jiān)測，并結(jié)合煤巷最新的地質(zhì)、水文等條件對支護參數(shù)進行優(yōu)化設(shè)計，以保證綜采工作面的安全、高效生產(chǎn)。