西铭矿2号煤综采工作面顶板管理设计研究

杨青云

（1.太原理工大学，山西　太原　030024； 2.山西省西山煤电西铭矿股份有限公司，山西　太原　030052）

1　2号煤层基本概况

1.1　工作面概况

如图1所示，42208工作面井下位于西十二采区左翼，东为42022和42020采空区（距离约60～120m），南为实煤区（西铭与杜儿坪矿界），西邻西十二左翼回风巷，北为42206工作面（未采）。

工作面地面标高为1 609～1 405m；盖山厚度为1 076～1 104m，平均埋藏深度419m。42208工作面巷道全长671m，皮带巷道断面呈矩形，巷宽4.0m，巷高2.6m。

图1　巷道平面布置示意图

1.2　煤层及顶底板条件

2号煤层，俗称“九尺煤”，煤层倾角在1°～4°之间，平均倾角为3°，厚度在1.6～2.1m之间，平均厚度为1.8m，属于稳定煤层。2号煤层上方页岩伪顶，厚度在0.10～0.30m之间，平均厚度0.2m，灰及深灰色，裂隙发育，易冒落。其上部砂页岩互层，厚度在1.00～2.45m之间，平均厚度为1.7m，以砂质页岩为主，下部含泥质多，有滑面，含植物碎片化石。再往上是砂质泥岩，厚度在2.74～4.17m之间，平均厚度3.72m，深灰-灰黑色，含植物化石碎片及黄铁矿，采区西南部相变为灰白色中细砂岩。上部为1号煤，厚度在0.70～0.58m之间，平均厚度0.63m，黑色，节理发育，俗称“上三尺煤”。之上为泥岩，厚度在4.00～1.16m之间，平均厚度为2.60m，灰色粘土岩，质纯致密，底部颜色较深，含植物叶片化石。上部为中粒砂岩，厚度在15.18～0.8m之间，平均厚度8.00 m，灰白色，以石英长石为主，含黑色矿物，分选磨圆度好，上部粒度较细。

2号煤层直接底为细砂岩，厚度在5.30～1.71m之间，平均厚度2.62m，灰-深灰色，以石英长石为主，含黑色矿物较多，顶部含泥质多，局部相变为砂质泥岩；老底为砂质泥岩，厚度在3.80～1.72m之间，平均厚度2.76m，灰黑色，含植物化石碎片及黄铁矿晶粒。

2　地质力学测试与分析

2.1　围岩强度测试

通过巷道围岩结构和强度测定，基本掌握了顶板各个岩层强度大小及结构分布情况，观测结果表明，尽管巷道围岩强度较高，但是顶板围岩呈现非连续不均质的变化状态，同一岩性不同位置的强度有较大差异，因此不能排除局部地段巷道顶板有围岩强度发生大幅降低，同时受地质构造的影响也会对巷道围岩强度产生较大影响，因此对煤矿工程设计而言，一方面要根据围岩强度来进行有针对性的设计，同时设计还应该具有一定安全系数，以此保证巷道整体安全可靠性[1]。

2.2　地应力测试及分析

西十二采区2号煤地应力测试结果如表1所示。

表1　西十二采区2号煤地应力测量结果

针对西十二集中胶轮车巷170m和70m处地应力测试结果进行统计分析，得出以下结论：

1）西铭煤矿西十二采区2号煤层测站最大水平主应力为11.65MPa，最小水平主应力为5.85MPa，垂直应力为8.23 MPa。根据相关判断标准：0～10 MPa为低应力区，10～18 MPa为中等应力区，18～30MPa为高应力区；大于30MPa为超高应力区。因此，可判定测试区域地应力场在量值上属于中等偏低应力场[2]。

2）从测试结果来看，三个测点中，地应力大小分布规律一致，在所测区域内地应力以水平应力为主，构造应力场占优势，属于构造应力场类型。

3）从最大水平主应力方向来看，最大水平主应力方向集中在北偏西方向，平均约为N54.8°E。

如图2所示，最大水平主应力理论认为，巷道顶底板变形与稳定性主要受水平应力的影响：当巷道轴线与最大水平主应力平行，巷道受水平应力的影响最小，有利于顶底板稳定；当巷道轴线与最大水平主应力垂直，巷道受水平应力的影响最大，顶底板稳定性最差；当两者呈一定夹角时，巷道一侧会出现水平应力集中，顶底板的变形与破坏会偏向巷道的某一帮。

图2　水平应力方向对巷道变形与破坏的影响

根据以上测试结果分析，西铭煤矿测试区域地应力在量值上呈现中等应力场，因此作用在巷道周边的围岩所处应力量值上来看相对较低，围岩变形和压力不明显，但是应力场类型呈现构造应力场占主导。如图3可以看出，42208皮带巷巷道布置在北偏东75°上，最大水平主应力方向北偏西54.8°，这说明42208皮带巷从地应力的角度来说巷道布置方向大致与最大水平方向存在一定夹角，两者之间的夹角大小为50.2°，此时最大水平应力对巷道稳定性存在一定的影响，考虑到最大水平应力属于中等偏低应力场，故而其影响程度相对比较有限[3]。

3　锚杆与锚索力学参数

3.1　锚杆直径

西十二采区2号煤层开采巷道不受采动影响，而且根据地质力学测试显示，2号煤层顶板节理裂隙发育不明显，围岩应力中等偏低，巷道断面大小为10.4 m2，按照巷道断面大小，可分为四种类型断面，断面积小于9.0m2称为小断面巷道；断面积在9.0～15.0m2之间称作中等断面巷道；断面积在15.0～20.0m2之间称作大断面巷道；断面积超过20.0m2称作特大断面巷道采准巷道的服务年限短，可判定属于中等断面巷道。根据上述锚杆选择依据，42208工作面选择直径Φ20mm的左旋无纵筋螺纹钢锚杆。

图3　巷道轴向和最大水平主应力布置关系

3.2　锚杆长度

西十二采区2号煤层断面面积大约10.4m2左右，属于中等断面，受到采动影响也比较小，巷道掘出后围岩的破坏范围小，锚杆的长度应该能够控制浅部围岩的变形与破坏，参照锚杆长度选择理论依据，2号煤巷道锚杆长度选择2.0m比较合理。

3.3　锚杆力学参数

西十二采区2号煤层42208工作面巷道采用Φ20-M22-2000的左旋无纵筋螺纹钢锚杆，其钢牌号为BHRB335，屈服强度335MPa，破断强度490MPa，对应的屈服载荷为105 kN，极限拉断力154 kN。

3.4　锚索力学参数

根据42208工作面巷道服务年限和使用用途，以及西铭矿巷道围岩结构观测显示，2号煤层顶板以泥质砂岩为主，其围岩结构和强度相对较好，确定2号煤42208工作面选择直径Φ17.8-1×7-4300的低松弛高强度预应力锚索[4]。

4　组合构件与网的参数

4.1　组合构件参数

按照组合构件的选择原则，西十二采区42208工作面巷道受到采动作用影响比较小，巷道支护难度小，组合构件强度中等就比较适合。因此，可选择宽度为220mm的窄钢带或者钢筋梯梁作为锚杆支护组合构件。

4.2　锚杆托板

根据西十二采区42208工作面巷道条件，锚杆杆体选择为直径20mm的335号高强锚杆，因此选择120mm×120mm×8mm可调心拱形锚杆托板作为支护构件，锚杆托板承载力不低于137 kN。

4.3　锚索托板

根据西十二采区42208工作面巷道条件，锚索索体选择为直径17.8mm的1×7股结构的锚索，因此选择250mm×250mm×12mm可调心拱形锚索托板作为支护构件，锚索托板承载力不低于318 kN。

4.4　网的参数

根据西十二采区42208工作面巷道条件，考虑巷道顶板和两帮支护状况，建议选择型号为50 mm×50mm，10号铁丝编制的菱形网。

5　锚杆布置参数

按照巷道低支护密度原则，为了保证巷道支护速度，提高巷道成巷功效，在合理巷道支护强度的前提下，西十二采区42208工作面锚杆排距可选择1 000～1 100mm，当然这只是正常条件下锚杆支护密度，如果巷道遭遇地质构造或者其他条件影响巷道正常施工，则需要针对现场情况进行设计变更。

6　锚杆(索)技术参数

锚杆（索）技术参数是巷道支护设计的关键参数，对支护效果起着决定性作用。但是，长期以来，由于很多矿区没有认识到锚杆（索）技术参数的重要性，普通存在锚杆（索）技术参数设置偏低的现状，严重影响到了锚杆（索）支护作用的发挥。

6.1　锚杆预紧力矩

西十二采区42208工作面巷道支护选择直径Φ20mm的高强锚杆，其屈服载荷105 kN，按照锚杆预应力的设计原则，以及井下施工环境和现有预紧机具现状，按照锚杆杆体屈服载荷下限30%设置，转化成锚杆预紧力矩大约为250N·m。

6.2　锚索预紧力

西十二采区42208工作面支护选择直径Φ17.8的锚索，其破断强度为350 kN，参照煤矿锚索张拉机具的制造现状，以及井下施工环境等因素考虑，锚索预紧力按照上限设置，至少应该达到拉断载荷的40%，即140 kN。考虑都到锚索预应力损失问题，由于设计采用4.3m锚索，根据天地公司井下试验数据表明，4.3m锚索预紧力损失在25%～30%之间，因此井下施工锚索应该保证达到200 kN，以充分发挥锚索性能特征。

6.3　锚杆锚固力

西十二采区42208工作面支护选择直径Φ20 mm的335号高强锚杆，其屈服载荷为105 kN，那么锚杆锚固力要求不得低于126 kN。

7　特殊地段处理措施

在42208工作面皮带巷在掘进过程中，由于地质因素的变化，因此对于遇到较小的构造时，对于顶板破碎带、顶板淋水严重等条件时要及时减小锚杆、锚索间排距，采用W钢带进行支护顶板，并补打锚索补强。遇到地质条件变化较大、出现大的地质构造时需及时汇报，以调整支护方案，加强支护设计。

8　结论

西铭矿2号煤层42208综采工作面顶板管理实践表明，根据邻近工作面矿压观测数据及所选用锚杆参数进行验算，可确保锚杆的合理选型。工作面推进过程中，对工作面特殊地段及遇到的特殊地质构造，根据监测数据分析，采取相应针对性措施，可以确保工作面顶板安全，使回采工作顺利进行。在顶板管理中，监测工作尤为关键，及时掌握顶板压力变化情况，对综采工作面的安全生产意义重大。

[1]李俊.西铭矿2号煤层锚杆支护参数确定的进一步探讨[J].科技信息，2011（9）：63.

[2]单仁亮，王玉宝，田亮，等.官地矿2号煤层煤巷锚杆支护参数优化研究[R]//岩石力学与工程的创新和实践第十一次全国岩石力学与工程学术大会论文集，2010.

[3]翟喜万.西铭矿2号煤层锚杆支护合理参数研究[J].山西焦煤科技，2003（6）：112.

[4]王京明.煤巷锚杆支护技术参数优化及经济效益比较[J].煤矿现代化，2017（4）：39.