煤矿回采巷道支护工艺优化的成功应用

2015-08-24朱永乐

科学中国人 2015年2期

朱永乐

神华神东煤炭集团开拓准备中心生产办

在2013年，S1煤矿矿井核定生产能力180万吨/年。该煤矿井田地处西南部，井田倾斜宽度为3.2km，走向长为4.1km，总面积约为13.4km。根据测量显示，当前该煤矿开采深度约为620mm左右，由于该煤矿开采区的地理环境较恶劣，容易发生地质地质灾害事故，这就给煤矿回采的安全生产带来了严峻的挑战，尤其是支护问题[1]。因此，加强煤矿回采巷道支护工艺的优化是当前煤矿企业急需解决的问题，不断进行巷道支护优化，以保证整个矿井生产活动的顺利进行。

一、S1煤矿回采巷道设计及支护现状分析

为了确保煤矿回采巷道设计的比较科学、合理，一般在煤巷内布置三条主巷，而在煤矿工作面主要布置切眼、相关横川、运顺、回顺、高抽巷及灌浆巷等，其中，运顺和回顺主要沿着煤层底板进行布置；高抽巷主要是布置在煤层顶板上14m左右的岩层中；灌浆巷主要沿着煤层顶板进行布置；而切眼、相关横川沿着煤层中部布置。该煤矿主采煤层所布置的工作面倾向宽度为140mm，走向在1300m～1800m之间。根据回采的巷道的服务年限及储量的不同回采时间，对于该煤矿回采巷道的支护设计，通常选择锚网索支护的形式进行支护设计，其参数有：选择螺纹钢锚杆和菱形铁丝网，其规格分别为φ20×2250mm,1×10m；顶板设置两根一组，规格为φ 15.3×6000mm强力钢绞线的锚索，托梁为4m长的12#槽钢[2]。在煤矿回采期间，由于工作面的采动容易造成巷道支护的破坏，并且在回采过程中都需要对工作面的巷道进行扩巷维修，同时巷道的架棚也需要加强支护。

然而，在灌浆巷布置中，也遇到了支护难题。即在回采巷道中工作面的灌浆布置需要与同一个工作面的回顾之间留设25m的煤柱，与上一个工作面的采空区之间留设35m的煤柱，由于灌浆巷主要沿着煤层顶板布置，其层位布置较高，给煤层带来了一定的压力，这就要求在工作面回采过程中需要对巷道全部进行扩巷维修[3]。因此，针对煤矿回采巷道中所遇到的支护难题，加强支护工艺优化是非常有必要的，若反复进行巷道维修，不仅破坏了围岩的稳定性，也降低了巷道的设计厚度，长期以往，则可能发生微漏风的现象。所以，对于S1煤矿的煤矿回采，其主要通过支护材料的质量来控制巷道的失修。这样的支护方式虽然可以达到良好的支护效果，但成本较高，该煤矿就尝试进行巷道支护工艺的优化。

二、煤矿回采巷道支护优化

针对灌浆巷支护工艺的优化，其主要目的是在不增加成本的前提下来改善灌浆巷的支护情况。通过反复论证，得出灌浆巷支护工艺方案为[4]：

1、选择规格的支护材料，如锚杆、网采、锚索等，锚杆规格为φ 20×2250mm的螺纹钢锚杆，网采规格为1×10m的菱形铁丝网；在顶板每盘布置两根一组的三组组合锚索，其规格为φ15.3×6000mm的强力钢绞线，托梁为4m长的12#槽钢。

2、巷道布置方式的调整，通过增加顶角锚杆来有效解决巷道拱间容易造成破坏、变形的问题，尤其是巷道的围岩。为了有效控制巷道帮臌现象的发生，可以在巷道两帮布置一组排距为1.4m，锚索托梁与水平面之间夹角为50度的锚索。在每排锚杆之间增加规格为50×200×420木托板的底角锚杆，这样不仅可以增加巷道的支护表面积，也可以减少底角巷体压酥破坏强度。另外，为了提高巷道的支护强度，通过增加顶底角锚杆来解决巷道底角支护的难题，增加布置的顶底角锚杆与原来布置的顶底角锚杆的间距为0.5m，通过形成巷道的密集支护区，其可以达到良好的支护效果。

三、应用实例

S1煤矿回采巷道的支护工艺优化，随着采煤工作的推进，巷道压力较为明显，导致巷道支架出现钢梁压弯、垮落、直接倾倒等现象，因此，对巷道路支护进行优化具有十分重要的意义。首先需要确定煤矿回采的实施地点，在新开工掘进的214灌浆巷做巷道支护工艺优化的试点，其走向全长2000m，该试点与上一工作面的空采取留设35m煤柱，与同一工作面留设25m煤柱，巷道沿煤层顶板布置。其中，巷道断面为梯形，上、下宽分别为2.4m、3.6m，高为2.1m，如图1所示[5]。

图1 巷道梯形断面图

分析工作面的地质特点，第一，在地质构造上，其为桦树渠背斜，对煤层厚度的设计具有一定影响，由于桦树渠背斜煤层倾角范围较大，其东部煤层倾角为4～60，中部为9～120，西部为5～70，这就导致工作面局部可能造成小型断裂构造；第二，分析煤层赋存情况，该巷道主要沿着走向煤层方向，其厚度变化较多，从东至西呈现煤层厚度变薄的趋势，工作面平均煤层厚度为13.40m，由于该煤层含夹矸2～5层，结构较复杂，因此该工作面煤层中的劣质煤较多，平均厚度为1.31m；第三，煤层顶底板，直接顶板为炭质泥岩、泥岩胶结，斜层理、较松散，容易破碎，平均厚度为12.2m，其下为根土岩，灰褐色泥岩，花斑泥岩，灰褐色泥岩容易破碎，其平均厚度为4.1m，而花斑泥岩为灰紫色，含铝质，平均厚度为4.6m。

分析该煤矿回采巷道支护工艺优化的实施情况及经济比较。与214灌浆巷施工前相比，通过对214灌浆巷的支护设计参数进行优化，在优化过程中，均未对巷道支护造成破坏。对于该煤矿回采巷道的施工，施工前，对施工队伍进行集中培训，只有确保施工队伍的综合素质得到了提升，才能保证施工人员严格按照设计意图施工，才能保证煤矿回采巷道支护的施工质量。在回采期间，由于该煤矿回采巷道的巷道压力较明显，巷道局部出现帮臌、顶板下沉的现象，因此，为了有效解决此类问题，通过对架棚进行加固维护后，在不增加支护成本的前提下，以确保了巷道支护的安全性。该煤矿回采工程主要采用“围岩-支护结构”的支护方式，即利用锚杆支护，采用这样的支护方式不仅可以充分发挥岩体的自身承载力，也可以充分调动支护结构的抗力。据资料统计，该煤矿工程原灌浆巷每年的支护成本为1900元/m，人工机械费用为2450元/m，通过对该煤矿回采巷道进行优化后，初次投入的支护成本为2610元/m，在煤矿回采结束前，该巷道维修成本节约了3662元/m，通过计算得出，该煤矿回采支护工艺优化共节约了732.4万元[6]。总的来说，该煤矿回采巷道支护工艺的优化是比较成功的。

针对该煤矿回采巷道支护工艺优化方案，既有效降低了二次维修成本，也降低了因煤矿回采巷道反复维修所造成的围堰破坏而严重影响到煤柱的稳定性和可靠性。在回采巷道支护优化中，通过对214灌浆巷进行支护工艺优化所取得成功的应用，为今后煤矿回采巷道的支护工艺优化提供了一个新思路。面向社会发展对煤矿井下安全性的要求，在支护工艺变革中，煤矿回采巷道支护工艺优化的成功应用在未来将得到成功的推广应用，具有良好的经济价值。