金庄矿特厚煤层回采巷道支护参数优化

蔡志炯

（大同煤矿集团金庄煤业有限责任公司，山西 大同037000）

1 概述

井下采煤工作面回采巷道支护设计的方法很多，有理论计算法、工程类比法、监控设计法〔1〕等，但后两种方法在现场的应用较多。实际回采巷道支护设计也不是一次完成的，而是一个动态过程〔2〕，一般要经过初 步设计、井下试验观测、信息反馈和修正设计以及井下监测再修正等几个环节，最终达到比较理想的支护参数。评价支护方案是否合理的标准是回采巷道在工作面采动影响下仍然能保持稳定和满足使用要求。一般情况下，回采巷道要受到两次采动影响，即上区段工作面侧向支承压力影响和本区段工作面超前支承压力影响〔3〕。在采动影响下，工作面巷道的力学响应不断变化，巷道变形不断增加。因此，只有经历两侧采动影响的考验，才能判定其支护参数是否合理，支护方案应随之加以改进。因此，对于新建矿井，只有对矿井最先开采的几个工作面的回采巷道进行监测之后才能逐渐优化回采巷道的支护参数，达到既能保证回采巷道安全又能节约支护成本的目的。

针对新建矿井特厚煤层回采巷道支护参数的优化问题，金庄矿的做法是，先采用声波探测方法确定了回采巷道松动圈范围，并参考类似条件巷道支护参数，制定了初步支护方案。通过首采工作面回采过程中巷道变形、顶板锚杆锚索轴向力变化，对初始支护方案进行了优化，并将其应用到后续巷道支护中，现场应用表明优化后的支护方案不仅能够完全满足安全、生产需要，而且节约了成本。

2 工程背景

金庄矿8203工作面为该矿的首采工作面，该工作面位于北二盘区。工作面回采巷道初步设计在8203首采工作面实施，并监测工作面掘进和回采过程中巷道变形和锚杆、锚索轴向力监测。通过以上监测手段，优化巷道支护参数，并将优化后的支护结构形式应用到随后开采的8202工作面。

北一盘区主采石炭系3＃～5＃煤层，厚度12.2～18.10 m，平均15.45m，采用大采高综放开采。煤层倾角3°～4°，平均埋深320m左右。煤层伪顶为灰黑色泥岩，厚度0.6～6m；直接顶为灰白色细砂岩，厚度5～12m，平均7.48 m；老顶为灰白色含砾粗砂岩、粉砂岩与中粒砂岩互层，厚度15～30m，平均20.86m。直接底为灰黑色泥岩，厚度1.2～10.6m，平均3.57m；老底为灰白色中粒砂岩与细砂互层，厚度5～26m，平均10.62m。

3 初始支护设计方案及评价

3.1 松动圈范围确定

确定巷道掘进过程中围岩松动圈范围是制定回采巷道支护方案的关键，采用BA－II型围岩松动圈测试仪对围岩松动圈范围进行探测。考虑到实验方案将在8203回风顺槽中进行现场试验，为获得较为准确的现场数据，并结合金庄矿煤巷成孔特点，将松动圈测试点布置在距回采面300m、600m和1200m处，共布置3个测站（见图1－a），每个测站布置7个钻孔，分别位于巷道顶板两边和中间，两帮腰线上下位置（见图1－b）。

图1 松动圈探测位置及探孔布置

现以左帮z－1号探测结果进行分析（见图2）。巷道左帮1号测孔在距工作面迎头300m位置处的测试结果可以看出，煤体最高声速为98.3mm／s，最低声速为40 mm／s。且随着孔深的增加，声波波速在距孔口1.7m以内时，声波波速较低，基本在40mm／s左右，在1.8～2.9 m范围内，声波波速不断增大并逐渐趋于稳定，在3～3.7 m范围内基本稳定在85mm／s左右，经分析可知，该处松动圈的大小可确定为1.7m。

图2 左帮1号孔不同断面声波波速与钻孔深度曲线

左帮z－1号测孔在距工作面迎头600m位置处的测试结果可以看出，煤体最高声速为91.8mm／s，最低声速为79mm／s。且随着孔深的增加，声波波速在距孔口1.6 m以内时，声波波速较低，基本在80mm／s左右，在1.7～2.4m范围内，声波波速基本稳定在85～90mm／s之间，在2.5～3.7m范围内，声波波速呈现波动上升的趋势并最终稳定在90mm／s左右，这种波动上升说明此处巷道的岩体节理裂隙可能较发育，但仍处于稳定状态，经分析可知，该处松动圈的大小可确定为1.6m。

左帮z－1号测孔在距工作面迎头1200m的位置处的测试结果可以看出，煤体最高声速为91.8mm／s，最低声速为50.5mm／s。且随着孔深的增加，声波波速在距孔口2.0m以内时，声波波速较低，处于65mm／s以内，在2.1～2.9m范围内，声波波速不断增大并逐渐趋于稳定，在3～3.7m范围内稳定在80mm／s以上，经分析可知，该处松动圈的大小可确定为2.0m。

综上分析可知，巷道左帮1号测孔位置处的围岩松动圈大致可确定为1.6～1.8m之间，局部较破碎地带围岩松动圈可达到2.0m。

通过对金庄煤业8203巷3个断面共12钻孔的松动圈测试可知，松动圈的深度在1.5～2.1m范围内（见图3）。因此，金庄煤业同煤层巷道掘进时，锚杆支护的锚固深度应该不小于2.1m。

图3 不同断面钻孔的松动圈深度

3.2 初始支护设计方案

首采工作面8203回风顺槽为矩形断面，宽5.2m，高3.5m。根据巷道松动圈探测结果，并参考同煤集团特厚煤层放顶煤工作面回采巷道和周边矿井支护方案，确定巷道的支护参数。

巷道顶板采用Φ22×2400mm左旋无纵筋螺纹钢锚杆，顶板间排距为900mm×1000mm，托盘均选用高强度托盘，托板规格为150mm×150mm×10mm，锚固长度为1200mm，锚固力不小于6t，预紧力矩不低于150N·m；锚杆均采用三花布置。顶板金属网采用Ф6.0mm冷拔钢筋制作，规格为2000mm×1000mm，网格为100mm×100 mm，金属网每逢一格采用14＃双股铅丝对称绑扎牢固。顶板钢带均选用W型钢带规格采用长×宽×厚为4700 mm×160mm×3mm，锚杆均布置在钢带上。顶板锚索采用三二三布置，规格采用Φ17.8mm×8300mm，配套金属托板规格均为300mm×300mm×16mm，排间距为2000 mm×2000mm，并且顶板角锚杆、角锚索角度不小于75°。

巷道左帮为玻璃钢锚杆同塑料网联合支护。玻璃钢锚杆均采用Φ20mm×2200mm右旋螺纹树脂锚杆，间排距为1200mm×1000mm，托盘均选用塑钢托盘，托板规格为150mm×150mm×10mm，螺帽均为塑钢。玻璃钢锚杆锚固长度为600mm，锚固力不小于70kN，玻璃钢锚杆均采用三花布置。左帮采用塑料网，规格长×宽为2000 mm×1000mm，网格为50mm×50mm，钢筋网与塑钢网连接处不搭接。

巷道右帮采用Φ22mm×2400mm左旋无纵筋螺纹钢锚杆，间排距为1200mm×1000mm，托盘均选用高强度托盘，托板规格为150mm×150mm×10mm，锚固长度为1200mm，锚固力不小于6t，预紧力矩不低于150N·m。锚杆均采用三花布置。采用Ф6.0mm冷拔钢筋制作的金属网，规格为2000mm×1000mm，网格为100mm×100 mm；金属网每逢一格采用14＃双股铅丝对称绑扎牢固。具体支护方案见图4。

巷道底板：铺底厚度均为200mm，砼强度为C25。

图4 8203回风巷初始支护方案设计

3.3 支护方案评价

巷道掘进过程中对巷道变形和锚杆锚索阻力进行了实测，结果表明，巷道开挖之后顶底板的移近速度要快于两帮收敛速度，两帮的稳定要先于顶底板。最终，顶板的收敛量为47mm，大于两帮收敛量41mm。对顶板及两帮的锚杆锚固力进行观测，发现顶板最大锚杆的锚固力87 kN，大于两帮的最大锚固力68kN。以上观测数据表明，采用现阶段的支护方案可以保证回采巷道在掘进期间的稳定性。

在8203工作面回采期间，随工作面靠近，回采巷道变形情况见图5。由图5可以看出在工作面前方50m左右，巷道变形开始快速增加，最终顶板下沉量为17cm左右，两帮移近量稍大，为20cm左右。

图5 随工作面靠近8203巷道变形情况

整体看来巷道变形量不大，工作面回采过程中不需要对巷道进行加强支护，巷道可以保持较好的稳定性。观测还发现顶板离层量在3～6cm之间，离层量较小，且均发生在顶板浅部，因此可以适当减小顶板的锚索支护密度。即使在靠近工作面位置，也没有发生巷道顶角破碎严重，出现网兜的情况，考虑到顶角锚索施工困难，因此后续巷道支护设计中可以考虑去掉顶角锚索，而增加最靠近行帮锚杆的倾斜角度。

相对顶板变形，两帮移近量较大，因此可将两帮锚杆支护排距适当减小。

4 优化方案设计及评价

根据以上观测结果制定优化后的巷道支护方案为：将原有支护顶板锚索排距降低0.5m，且每排只打2根锚索，锚索密度减小，考虑到施工顶板倾斜锚索打孔困难，费工费时，在优化方案中锚索采用垂直顶板施工，同时取消2个肩窝锚杆；左右两帮锚杆类型同原方案，只是间距减少0.2m，锚杆支护密度增大。具体支护方案见图6。

图6 优化后的支护方案

8202工作面回采巷道采用此优化后的支护方案，在受到两次采动影响时回采巷道顶板最大下沉量为32cm左右；两帮移近量为28cm左右。在与8202工作面平行位置巷道内锚索受力均达到200kN以上，充分发挥了支护效能。总体来看，巷道围岩完整、稳定，总变形量不大，完全能够满足安全生产的需要。采用优化的支护方案后，节约了支护成本和施工进度；每100m巷道可节省50根锚索及166根锚杆，工作时间节省174h，安全技术效果明显，经济效益可观。

5 结语

金庄煤矿特厚煤层回采巷道支护方案的优化，通过8203、8202两工作面试点，采用声波探测技术，对矩形大断面全煤巷松动圈进行实测，结合初步设计支护方案的实验、修改和完善，最终确定了既符合巷道变形小能满足安全生产需要，又节省成本、提高施工速度的回采巷道支护方式，为金庄煤矿特厚煤层的开采积累了有益的经验。

〔1〕吴志祥，李安红，梁建军，等.锚杆支护动态信息设计法在常村矿的应用〔J〕.煤矿开采，2001（3）：24－25，38.

〔2〕康红普 .煤巷锚杆支护动态信息设计法及其应用〔J〕.煤矿开采，2002（01）：5－8.

〔3〕白庆升，屠世浩，袁 永，等 .基于采空区压实理论的采动响应反演〔J〕.中国矿业大学学报，2013（03）：355－361.