近距离煤层底鼓巷道支护方案优化分析

张天仓

(太原理工大学 矿业工程学院，山西　太原　030024)



·技术经验·

近距离煤层底鼓巷道支护方案优化分析

张天仓

(太原理工大学 矿业工程学院，山西太原030024)

摘要基于煤峪口矿近距离煤层底鼓巷道围岩稳定性的问题，分别从顶板、两帮以及底板3个区域提出了该矿51010巷围岩稳定性的维护方案，并针对巷道底鼓严重的问题，提出在原有支护基础上，利用高强让压锚索束梁补强维护。实践表明：该方案的应用节约了支护成本，避免了巷道返修，减轻了劳动强度，提高了巷道的稳定性，满足了正常生产的需要，为今后类似条件下巷道支护方案优化提供了借鉴，值得推广应用。

关键词近距离煤层；底鼓巷道支护；高强让压锚索束梁

1工程概况

大同煤矿集团煤峪口矿位于大同煤田东南翼的东北端，距大同市17 km.井田西北部410盘区主采14#煤层与上部11#-12#煤层为近距离煤层，层间距和煤层厚度均极不稳定，受此影响，巷道在掘进和工作面回采时变形破坏严重，难以维护，严重影响工人安全和生产效率，亟需对该问题进行系统研究。

该矿14#层410盘区81010工作面设计走向长度为915 m，倾向宽度141 m，地面标高1 300～1 323 m，工作面标高966.0～978.0 m.上部11#-12#合并层煤柱宽度21 m左右，14#层81004-81006煤柱宽度35 m左右，14#层工作面相对于上部11#-12#合并层工作面内错7 m. 煤层1.41～2.01 m，平均1.9 m，倾角1°～4°，平均2°.

2巷道围岩稳定性分析

2.1巷道破坏情况

受81004工作面开采的影响，51006巷距巷口300 m左右变形明显，发生严重底鼓，局部巷道巷高已经不足1 m，不得不在距离巷道开口323 m处重新开掘1条巷道。巷道内其他位置发生变形破坏主要表现为：

1) U型棚变形破坏。一般表现为帮部卡缆螺栓拉断，卡缆张开。

2) 顶板下沉量大。顶部U型棚整体压平、扭曲，帮部U型棚搭接处出现滑移(20～30 cm).

3) 底鼓。底板粉细砂岩发生剪切破坏，整体向巷帮一侧翘曲或在巷中鼓起。

4) 煤帮内挤。巷道煤帮煤岩交界面处向巷道内部挤入，压迫U型棚。

2.2破坏原因分析

1) 超前压力相互叠加。

根据滑移线场理论，11#-12#合并层煤柱下方形成应力集中区，若底板发生塑性破坏，则将会在底板中形成3个区：主动区、过渡区和被动区。煤柱集中应力经过主动区和过渡区的传递后会由竖直方向变为水平方向，造成51004巷和51006巷水平应力集中，顶板挠曲下沉及底鼓。

若底板不发生塑性破坏，则11#-12#合并层煤柱集中应力作用于14#层顶板，进而传递至煤帮和底板，造成顶板下沉及两帮内挤。当巷道顶、帮支护强度较高时，则应力在底板处释放，发生底鼓。

14#煤层顶板为中细砂岩，其厚度变化较大，51004巷与51010巷的变形破坏是垂直和水平应力共同作用的结果。当14#煤层回采时，巷道围岩承受的静态集中应力与本工作面回采的超前压力相互叠加，压力量级急剧增加，压力在空间上的变化将更为迅速。

2) 顶板厚度变化大。

410盘区11#-12#合并层由南向东北逐渐变薄，厚度为15～1.5 m.厚度小导致的直接问题是无法使用常规锚杆、锚索，仅能依靠架棚支护。

3) 围岩稳定性预先破坏。

岩体强度是岩石强度和结构面强度的综合，其中结构面强度对岩体强度起主要控制作用。上部11#-12#合并层回采过程中，其峰前压力会在底板中产生塑性破坏区，造成14#煤层顶板形成初始损伤，强度和整体性均降低。

4) 支护结构承载能力。

如何在保证巷道稳定性的前提下，最大限度地利用顶板原岩强度，充分发挥锚杆、锚索等支护结构的性能，形成稳定可靠的承载结构是目前近距离煤层巷道支护的重点。

3支护方案的确定

3.1支护思路

结合前文分析，确定本次51010巷主要支护原则和注意事项：

1) 提高锚杆强度、刚度及预紧力，以增加岩梁(墙)强度，充分调动围岩自身承载能力。

2) 高阻让压。在满足高支护阻力的前提下，支护系统应允许一定的变形，具有让压功能抵抗邻近及本工作面采动压力的影响。

3) 整体差别支护。顶板、煤帮、底板支护均是支护系统不可或缺的组成部分，三者任何一方面均不可忽略，煤帮相对于顶底板强度较低，支护系统应突出支护强度差别。

4) 减跨或改变巷道变形。

5) 护表，防止碎石冒漏伤人。

3.2支护方案

1) 巷道断面及支护形式。

巷道断面为半圆拱形，荒断面宽×高为4 840 mm×3 400 mm，支护形式为高阻让压锚杆+让压鸟窝锚索+29U型棚(+高强让压锚索束梁)支护。支护断面示意图见图1.

图1　巷道支护示意图

2) 锚杆支护系统参数。

锚杆选用d20 mm×2 000 mm高强让压锚杆，配套高强托盘型号为150 mm×150 mm×8 mm，锚杆间排距为1 000 mm×1 000 mm，底板锚杆间距为800 mm. 采用金属网作为表面控制的方式。每套锚杆采用1卷K2335和1卷Z2335树脂药卷。

3) 顶帮锚索支护参数。

顶板及帮部鸟窝锚索规格d18.9 mm×5 000 mm，排距2 000 mm，锚索托盘为300 mm×300 mm×12 mm的高强球型托盘。每套锚索采用3支Z2350的树脂锚固剂。顶底板每排锚索采用1条11#矿用工字钢钢梁连接，顶板工字钢梁长3 000 mm，三孔，孔间距1 400 mm.

4) 底板高强让压锚索。

底板发生严重底鼓时，在现有支护参数的基础上增加底板高强让压锚索束梁支护。

a) 每组锚索束由3根d17.8 mm×5 000 mm高强度低松弛钢绞线编制组成，配用12#普通工字钢焊低梁，托盘规格为400 mm×400 mm×16 mm.

b) 每排2组锚索束，间排距为2 400 mm×2 400 mm，锚索距离帮底脚1 m，外摆30°.

c) 锚索束安装时，首先使用42.5#普通硅酸盐水泥配置的水泥浆注入孔底，进行初始锚固，最终浆液采用水泥-水玻璃双液浆高压注浆，注浆浅孔终压6 MPa，锚索孔注浆终压8 MPa.

5) 29U型棚支护参数。

29U型棚为5节，搭接长度为500 mm，每个搭接处均布置3套卡缆，排距为1 000 mm.

3.3特殊位置支护

1) 施工中遇到顶板破碎带煤层松软区、地质构造变化带、断层等围岩支护条件复杂区域，可将锚杆间排距调至0.7 m×0.7 m，锚索排距适当调小，并辅助采用点柱、套棚等强化支护措施，此种支护形式应延至断层带范围以外20 m及以上。

2) 巷道穿层施工范围，锚索长度根据巷道顶部上覆煤岩层厚度变化情况及时调整，并确保锚入稳定岩层不少于1 000 mm.

综上分析可知，近距离煤层81008工作面底鼓巷道支护方案最终确定为：

高阻让压锚杆+让压鸟窝锚索+29U型棚(+高强让压锚索束梁)支护；锚杆选用d20 mm×2 000 mm高强让压锚杆，间排距为1 000 mm×1 000 mm，底板锚杆间距为800 mm.

顶板及帮部鸟窝锚索规格d18.9 mm×5 000 mm，排距2 000 mm，顶底板每排锚索采用1条11#矿用工字钢钢梁连接；底板发生严重底鼓时，在现有支护参数的基础上增加底板高强让压锚索束梁支护：每组锚索束由3根d17.8 mm×5 000 mm高强度低松弛钢绞线编制组成。间排距为2 400 mm×2 400 mm，锚索距离帮底脚1 m，外摆30°.

4工业性试验及经济效益分析

1) 原支护成本。

煤峪口矿51006巷原支护方式为29U型棚，棚间距0.5 m，支护费用3 800元/m，破坏后返修成本1 420元/m，最终支护成本总计5 220元/m.

2) 现支护成本。

煤峪口矿51010巷现支护成本为：高强让压锚杆，每米消耗量为23.75套，试验段长度200 m，总价1 210.78元/m；让压鸟窝锚索每米消耗量2.5套，试验段长度200 m，总价520.4元/m；W钢带每米消耗量2.5套，试验段长度200 m，总价352.2元/m；结合锚杆(索)树脂材料分析，51010巷的支护方案取消了U型棚，使用锚网索支护，支护成本共计2 843.9元/m.

3) 节约支护成本。

51010巷每米节约成本2 376.1元，巷道总体长度为999 m，共节约支护成本237.38万元。

4) 支护效果。

优化后的支护方案，除经济上节约成本外，在巷道稳定性维护方面达到了预期的目标。避免了巷道的二次修复，减轻了工作人员返修维护巷道的劳动强度。比起相邻的利用原有支护方案支护的巷道，其工作面开采过程中，巷道稳定性较好，对正常生产的影响也较小。

参考文献

[1]靳钟铭,徐林生.煤矿坚硬顶板控制[M].北京:煤炭工业出版社,1994:105-125.

[2]钱鸣高，石平五，许家林，等.矿山压力与岩层控制[M].北京:中国矿业大学出版社，2010:23-24.

[3]贾喜荣.岩石力学与岩层控制[M].北京:中国矿业大学出版社，2010:37-38.

[4]徐永圻.煤矿开采学[M].北京：中国矿业大学出版社，2000:17-19.

[5]魏锦平,牛彦华,李胜.两硬综放面顶煤顶板冒放结构探讨[J].山西矿业学院学报,1997(15):332-336.

[6]马陈社.大采高综采工作面架前漏顶的处理措施[J].山西煤炭,2011,31(10):47-49.

[7]刘树林,刘庆伟.浅谈综采工作面过漏顶[J].同煤科技，2004(12):14-16.

[8]尤宁.对综放工作面片帮漏顶问题的分析[J].矿业安全与环保,2010,37(增):130-131.

Optimization Analysis on Support Scheme of Floor Heave Roadway in Close Distance Coal Seam

ZHANG Tiancang

AbstractBased on the surrounding rock stability of floor heave roadway in Meiyukou coal mine close distance coal seam, respectively from three regions of the roof, two sides and floor propose the mine 51010 roadway surrounding rock stability maintenance scheme, and for the tunnel floor heave serious problem, proposes based on the original support using high strength and pressure relief anchor cable beam reinforcement maintenance. Practice shows that the application of the scheme meets the needs of normal production. In the future for the similar conditions under the roadway support scheme optimization provides a reference, it is worthy of popularization and application.

Key wordsClose distance coal seam; Floor heave roadway support; High strength and pressure relief anchor cable beam

中图分类号：TD353

文献标识码：A

文章编号：1672-0652(2016)01-0023-03

作者简介：张天仓(1968—)，男，山西怀仁人，2013年毕业于山东理工大学，高级工程师，主要从事煤矿管理工作(E-mail)zhangtiancang1986@126.com

收稿日期：2015-10-20