过煤柱巷道支护方案优化分析研究

刘志伟

(大同煤矿集团 云冈矿，山西　大同　037017)



·试验研究·

过煤柱巷道支护方案优化分析研究

刘志伟

(大同煤矿集团 云冈矿，山西大同037017)

摘要基于过煤柱巷道围岩稳定性的维护问题，分别从煤柱影响范围内外两个区域给出了围岩稳定性的维护方案，并针对过煤柱巷道围岩变形的特殊问题，提出在原有支护基础上，利用高强蛇形锚杆与特殊钢带及金属网补强维护。实践表明：该方案的应用无论从经济上还是安全上均取得了较好的效果，为今后类似条件下巷道支护积累了经验，值得推广应用。

关键词过煤柱巷道；围岩稳定性；支护；煤柱影响范围内；煤柱影响范围外；高强蛇形锚杆

1工程概况

忻州窑矿14-3#层8704工作面煤层厚度最大7.73 m，最小1.2 m，平均3.8 m.煤层结构相对复杂，局部含有1层0.4 m左右的夹石。工作面中部低两侧高，大致呈一向斜构造，煤层倾角3°，其中5704巷存在与相邻工作面采掘交锋及过煤柱的问题，在与相邻8706工作面交锋期间，5704巷局部有炸帮现象，并伴随有煤炮声。帮部锚杆托盘与煤壁接触困难，锚杆支护能力大大降低，同时该巷上部11～16 m分布14-2#层6个工作面的6个采空区煤柱，局部压力较大，围岩变形严重。回采期间，当工作面推到过上方采空区煤柱时，煤壁炸帮严重，支架压力大，两巷超前段顶板破碎，局部伪顶掉落，巷道维护困难。

根据该矿5704巷围岩支护结构及支护参数可知，在支护参数选取时并没有考虑上方采空区煤柱对巷道围岩稳定性产生的负面影响而进行支护补强设计，导致过煤柱段围岩变形破坏严重，尤其可能导致该巷道在工作面回采过程中不能满足正常工作面的需要。因此，研究过煤柱巷道的围岩支护设计并提出合理的优化方案对维护巷道围岩稳定性和安全生产具有重要意义。

2巷道原支护方式及破坏情况

5704巷为8704工作面回风巷，矩形断面，规格为净宽4.0 m×净高3.6 m，顶板采用锚杆、钢带、锚索、菱形金属网联合支护，巷道顶板4根锚杆，长度为1.85 m，排距1.0 m，两根锚索，长度7.3 m；两帮采用锚杆挂金属网支护，护帮锚杆3根，间排距1.1 m.原支护方案示意图见图1.

图1　巷道原支护方案示意图

地质资料表明，8704工作面煤层之上11～16 m为14-2#层(已采)，采空区内留有隔离煤柱，5704巷道远离上部煤柱影响范围内围岩在原支护方式下稳定性能相对较好，围岩变形不大，但该巷道上部存在14-2#层6个工作面6个采空区煤柱，局部压力较大，煤柱下方围岩变形较大，两帮严重剥落。通过在煤柱下方安装锚杆测力计对锚杆轴力进行监测，结果表明，顶板锚杆所受轴力较大，两帮锚杆失效，尤其煤柱帮出现整体内挤现象，同时顶板围岩沿巷道走向出现1条宽5 mm的裂缝。因此，定性地研究上覆煤柱对巷道围岩变形破裂的影响，并对煤柱影响范围内围岩的支护方案进行补强，对该盘区的顺利回采及煤矿的安全运营具有重要意义。

3支护设计依据

根据5704巷煤柱影响范围内外围岩松动圈测试结果可知：1) 同一测试断面下煤柱帮松动圈厚度大于工作面帮松动圈的厚度，尤其是过煤柱段测试断面。2) 过煤柱段巷道围岩松动圈厚度大于普通段巷道围岩松动圈厚度。3) 巷道围岩顶板相对完整，松动圈厚度较小。因此，对该测试巷道进行支护设计时，应首先考虑上覆煤柱的影响，对煤柱影响范围内外的巷道围岩分开进行支护设计，同时应对工作面帮及煤柱两帮的护帮支护结构分别进行设计。

巷道围岩原位强度测试结果同样表明，上部采空区煤柱对下部巷道实体煤帮影响较小，对煤柱帮影响较大，因此，在进行支护设计时应对上部采空区煤柱下方巷道煤柱帮予以重视。

由于过煤柱及远离上覆煤柱影响范围段巷道围岩不同的原位强度及不同的围岩变形，在巷道围岩支护设计时应该分开考虑煤柱影响范围内外顶板支护，煤柱影响范围内两帮支护以及煤柱影响范围外两帮支护，这样既能达到稳定完整围岩的支护优化设计，又能达到破碎不稳定围岩的支护补强设计，实现节约成本，维护巷道围岩稳定以及为该回采面的顺利回采做好准备，同时可以为相邻8702工作面支护方案的选取提供参考依据。

4支护方式选取

根据8704工作面的工程地质资料，经分析研究可知，在5704过煤柱巷道围岩支护设计时，应该分别考虑煤柱影响范围内顶板、煤柱影响范围外顶板、煤柱影响范围内两帮以及煤柱影响范围外两帮的支护参数选取。因此，在远离煤柱影响范围支护方案优化设计时，顶板锚杆由原来d20 mm×1 850 mm优化为d18 mm×1 800 mm的高强蛇形锚杆，顶板锚索长度由原支护7 300 mm优化到5 300 mm；帮部设计同样由原来d20 mm×1 850 mm优化为d18 mm×1 800 mm的高强蛇形锚杆，间排距不变。煤柱影响范围内巷道围岩支护设计顶板锚杆为d18 mm×2 000 mm的高强蛇形锚杆，托盘型号为150 mm×150 mm×8 mm，顶板钢带及顶板锚索保持原支护方式不变，两帮采用锚杆+菱形网联合支护，工作面帮锚杆采用d18 mm×2 000 mm的高强蛇形锚杆，煤柱帮锚杆采用d18 mm×2 400 mm的高强蛇形锚杆，两帮采用钢带托盘，型号为450 mm×280 mm×3.75 mm.

4.1煤柱影响范围外巷道支护设计方案

煤柱影响范围外巷道支护方案及支护参数设计见图2.

图2　煤柱影响范围外巷道支护方案示意图

具体支护参数如下：巷道顶板采用锚杆、锚索联合支护。其中，锚杆采用高强蛇形锚杆，间排距为1 000 mm×1 000 mm，托盘尺寸为150 mm×150 mm×8 mm，锚索采用五花布置，间排距1 300 mm×1 000 mm，巷道帮部支护设计采用锚杆+金属网联合支护。

4.2煤柱影响范围内巷道支护方案

煤柱影响范围内巷道支护方案设计见图3.

图3　煤柱影响范围内巷道支护方案示意图

具体支护参数如下：顶板采用锚杆+锚索+钢带联合支护。其中，顶板锚杆采用高强蛇形锚杆，间排距1 000 mm×1 000 mm，顶板锚索及钢带与原支护相同，锚索间排距为1 300 mm×1 000 mm；两帮护帮支护采用锚杆+菱形网联合支护，间排距为1 100 mm×1 000 mm，两帮采用钢带托盘，型号为450 mm×280 mm×3.75 mm.

4.3支护方案的关键问题

1) 5704巷目前仍然使用水泥托盘，这种托盘抗压强度低、重量重、抗变形能力差，破坏后容易脱落伤人，另外还有部分顶板螺纹钢锚杆螺母使用2个普通六角螺母，不但强度低容易压进托盘中，且安装速度慢，脱落后极易弹射伤人，建议选用有弧形切槽的球形托盘和与之配套的球垫，并且在托盘与螺母之间加上垫片。

2) 建议20 mm左旋无纵筋螺纹钢锚杆预紧扭矩不小于200 N· m，必要时配备扭矩倍增杆，保证锚杆预紧力不小于70 kN.

3) 严格控制钻孔深度，不论是锚杆还是锚索，钻孔深度直接影响到实际锚固长度，实际锚固长度又与锚固力直接相关。钻孔过深则有一部分锚固剂留在孔底，无法产生作用，直接导致锚固力达不到要求，钻孔过浅则锚杆外露长度过长，不仅安装困难，而且会减少锚杆的有效长度，达不到设计要求。

5应用效果分析

5.1经济效益分析

忻州窑矿5704巷原有支护形式为普通锚网支护，支护费用为1 031.6元/m. 在不考虑巷道返修的前提下，现在5704巷以蛇形锚杆及高强让压锚索为主体的锚网支护体系，支护成本为520元/m，仅占原有支护成本的50%. 因此，5704巷每米节约成本约511.6元，巷道总支护长度为1 761 m，共可节约支护成本约90.1万元。

5.2社会效益分析

优化后的支护方案有利于矿井安全生产和顺利建设，减轻了工人的劳动强度，可为其它矿区类似巷道支护工程提供借鉴和依据。

6结论

通过分析各支护方案及现场实践可知：

1) 过煤柱巷道进行支护设计时，应首先考虑上覆煤柱的影响，对煤柱影响范围内外的巷道围岩分开进行支护设计，同时应对工作面帮及煤柱两帮的护帮支护结构分别进行设计。

2) 煤柱影响范围外巷道顶板锚杆由原来d20 mm×1 850 mm优化为d18 mm×1 800 mm的高强蛇形锚杆，顶板锚索长度由原支护7 300 mm优化到5 300 mm；帮部设计同样由原来d20 mm×1 850 mm优化为d18 mm×1 800 mm的高强蛇形锚杆，间排距不变。

3) 煤柱影响范围内巷道顶板锚杆为d18 mm×2 000 mm的高强蛇形锚杆，托盘型号为150 mm×150 mm×8 mm：工作面帮锚杆采用d18 mm×2 000 mm的高强蛇形锚杆，煤柱帮锚杆采用d18 mm×2 400 mm的高强蛇形锚杆，两帮采用钢带托盘。

4) 巷道支护方案现场实施过程中，托盘材质的选取、锚杆预紧力以及钻孔深度等均是影响优化后方案实施效果的重要因素。

参考文献

[1]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，2010:76-81.

[2]贾喜荣.岩石力学与岩层控制[M].北京：中国矿业大学出版社，2010:103-107.

[3]徐永圻.煤矿开采学[M].北京:中国矿业大学出版社，2000:42-46.

[4]陈晓海，位小辉，罗鑫,等.煤柱影响下回采巷道围岩控制技术研究[J].现代矿业,2015(2):32-36.

[5]王文新，汪占领.浅埋深小煤柱巷道锚杆支护技术研究[J].煤矿开采,2012(4):47-49.

[6]黄文凭.老矿井煤柱巷道支护方案优化设计与应用[J].中国高新技术企业，2015(18):14-16.

[7]贠东风，李尚明，苏普正,等.瑞能煤矿区段煤柱中巷支护技术[J].西安科技大学学报,2012(4):30-34.

[8]朱炯.煤柱下高应力巷道非对称支护优化[J].煤矿安全,2014(10):10-12.

Research on Optimization Analysis of Crossing Coal Pillar Roadway Supporting Scheme

LIU Zhiwei

AbstractBased on maintenance problem of crossing coal pillar roadway surrounding rock stability, respectively gives the maintenance programs of surrounding rock stability from two regions within and outside influence scope of coal pillar. Aiming at the special problems of crossing coal pillar roadway surrounding rock deformation, puts forward on the basis of the original support using high strength serpentine bolt and special steel strip and metal net reinforcing maintenance. The practice shows that the application of the scheme has achieved good results in both economy and safety. It accumulates experience for roadway supporting under the similar condition in the future, and it is worthy of popularization and application.

Key wordsCrossing coal pillar roadway; Stability of surrounding rock; Supporting; Within influence scope of coal pillar; Outside influence scope of coal pillar; High strength serpentine bolt

中图分类号：TD353

文献标识码：A

文章编号：1672-0652(2016)01-0037-03

作者简介：刘志伟(1986—)，男，山西天镇人，2010年毕业于太原科技大学，助理工程师，主要从事煤矿生产工作(E-mail)liuzhiwei19866@sina.com

收稿日期：2015-12-18