胶带巷围岩控制改进技术研究

张茂生

（山西煤炭运销集团南河煤业有限公司，山西 晋城 048400）

1 工程概况

山西煤炭运销集团南河煤业有限公司开拓方式为主斜副立开拓，井筒数量3个，开采水平为+775m，现采煤层为15#，采煤工艺为综采，瓦斯等级为瓦斯矿井，水文地质类型为中等，煤层有Ⅱ级自燃倾向性。

矿井现开采15#煤层。井田范围由9个坐标点依次连线圈定，面积5.992km2，生产能力为60万t/年，开采深度920～710m标高。

15#煤层位于太原组一段顶部K2灰岩之下，煤层厚2.10～4.20 m，平均厚3.85 m，含0～2层夹矸，夹矸厚0.05～0.45 m，结构简单。

15#煤层直接顶厚度为4.13～12.24 m，平均值为8.42 m。岩性为石灰岩，硬度大，抗压强度高，顶板属于坚硬岩层。

15#煤层底板岩性为铝土泥岩，直接底厚度为3.11～7.86 m，平均厚度为5.96 m。根据山西省114勘察院勘探时采样做的底板物理力学性质成果表明：15#煤层底板岩性抗拉值为0.4～1.5 MPa，平均值为0.9 MPa。15#煤层底板岩性抗压值为2.0～35.2MPa，平均值25.6 MPa。其中内摩擦角值为 31°27′～37°29′，平均值为 34°29′，属于典型的软弱破碎岩层。

南河煤业开采15#煤层时，由于巷道围岩岩性软弱，岩性为泥岩，遇水容易膨胀，吸水性强。导致开采15#煤层容易发生底鼓现象，顶板支护也比较困难。

2 矿井开拓方式和巷道支护效果差原因分析

矿井为主斜副立混合开拓方式，主斜井、副立井及回风立井位于工业场地内，主斜井一侧铺设胶带输送机，担负矿井的煤炭提升任务，另一侧铺设单轨，担负矿井大件设备及长材料运输任务，设台阶、扶手，作为矿井一个安全出口，兼作进风井。井筒净宽5.0m，斜长478m，坡度23°，表土段采用混凝土砌碹支护，基岩段采用锚网喷支护。

副立井担负矿井的辅助提升任务，装备双罐笼，兼作进风井。井筒净直径4m，垂深200m，表土段采用混凝土砌碹支护，基岩段采用锚网喷支护。

回风立井装备梯子间，担负矿井的回风任务并作为矿井的一个安全出口。回风立井井筒净直径4m ，垂深205.4m，表土段采用混凝土砌碹支护，基岩段采用锚网喷支护。

矿井有3个安全出口：即主斜井、副立井和回风立井，各井筒井口间距离均大于30 m。

根据现有开拓现状，以一个水平开采15#煤层，水平标高为+775m。根据井田开拓布置，15#煤层划分为2个采区。回采工作面回采采用长壁后退式开采。

针对南河煤业15#煤层围岩具体的地质情况进行了分析，与现场工作人员沟通阐述矿井开拓方式并对巷道支护效果差原因分析：

（1）锚杆安装机具不到位，容易将锚固剂的化学结构破坏，影响锚固效果。

（2）井田总体呈走向近北东的向斜褶曲构造，地层倾角0～25°左右，井田内发现6条断层，4个陷落柱构造，各陷落柱陷壁角一般约80°，在陷落柱附件采掘作业必须先做好物探准备措施。南河煤业地温正常，无冲击地压现象。

（3）锚索的预紧力值偏小，锚索抗拉强度大，主动支护能力强的效果远远没有发挥出来。

（4）工人没按要求施工，锚杆锚索安装后，没有对锚索进行二次紧固，导致锚索预紧力下降。

（5）巷道金属网搭接方式有待改进，尺寸不合理影响巷道支护效果。

（6）锚杆、锚索安装后没有用减摩垫圈，增大了设备之间的摩擦力，力的转换效率降低，应该加上减摩垫圈。

（7）锚杆、锚索不匹配，锚固性能差，树脂药卷凝固时间长。这是支护效果不理想最主要的原因。

3 地质构造段胶带巷锚杆、锚索支护及喷浆参数

针对巷道支护效果差的现象，对地质构造做了充分的物探，改进锚杆安装设备的型号，提高工人素质，对锚杆锚索作业进行严格要求，最重要的是选择了合适的相互匹配的锚杆锚索，进行了合理的锚网索支护，支护平面和剖面布置建议方案如图1和图2所示。

顶板为5根锚杆，间距1000 mm；两帮各4根锚杆，间距为1000 mm；锚杆排距为1200 mm。其具体支护参数为：

3.1 顶板和两帮支护

（1）顶部支护

选用Φ20×2000mm左旋螺纹钢高强度锚杆，匹配150×150×10 mm高强拱形托盘与高强螺母。加长树脂锚固，钻孔直径≤30 mm，使用2支K2360型锚固剂，锚杆预紧力矩不低于250 N•m。使用Φ12 mm螺纹钢制作的4400×70mm顶钢带，使用12#菱形铁丝网，网格大小为50×50mm，网尺寸为5100×1300mm，帮网相邻网搭接约100mm，铁丝钮扣联结，钢带必须压住两片网搭接部分。

（2）帮部支护

选用Φ20×1800mm左旋螺纹钢高强度锚杆，匹配150×150×10mm高强拱形托盘与高强螺母。加长树脂锚固，钻孔直径≤30 mm，使用1支K2360型锚固剂，锚杆预紧力矩不低于150 N•m。使用Φ12 mm螺纹钢制作的3200×70mm顶钢带，使用12#菱形铁丝网，网格大小为50×50mm，网尺寸为3300×1300mm，帮网相邻网搭接约100mm，铁丝钮扣联结，钢带必须压住两片网搭接部分。

3.2 顶板锚索

使用Φ17.8mm，长为6200mm，有效长度6000mm左右的1×7股高强度且低松弛钢绞线制锚索，隔一排两根，间排距1800×2400mm，并且紧跟掘进迎头来施工。锚索钻孔直径≤30mm，锚索用3卷树脂锚固剂，锚固型号为3支K2360，理论锚固长度约1400mm左右。

锚索托盘：采用300×300mm×16mm的方形钢板，锚索预紧力应≥120 kN。

3.3 表面喷浆

设计方案中喷射混凝土强度是C20，喷射混凝土配比为:水泥:砂子:石子=1:2:2，刚开始喷时可适度减少石子掺量，水灰比为0.4～0.5。原材料按照重量计，称量的允许偏差值：水泥和速凝剂均为±2%，砂子和石子均为±3%。设计方案中喷浆厚度为100 mm，刚开始喷射混凝土厚度是50～60 mm，且要及时进行复喷，进行复喷时间间隔不能超过2个小时，否则应该使用高压水重新冲洗受喷面。

图1 遇地质构造段胶带巷锚杆、锚索布置平面图

图2 遇地质构造段胶带巷顶部锚杆、锚索布置剖面图

4 支护效果监测分析

通过对各个测站的巷道表面变形量进行监测，汇总各个测站的观测数据，如图3是巷道断面的变形量，图4是巷道表面的变形速度。

在矿压观测的前10 d范围内巷道变形增加的速度比较快，随着观测时间的增加，巷道表面的变形速度逐渐减小；在矿压观测的10～20 d范围内，巷道变形趋于稳定，但是在矿压观测的21～38 d范围内巷道受地质条件的影响又开始出现不稳定的情况，由于巷道围岩的岩性不同以及巷道围岩各个位置的受力不均匀，导致巷道各个部分的变形破坏情况不相同，严重的地方会出现巷道片帮、脱皮的现象。最后结果在监测的第39 d开始逐步趋于稳定，最终巷道两帮移近量约为150 mm，顶底板移近量约为250 mm，说明此支护方式能够有效控制围岩变形，保证矿井安全生产。

图3 巷道断面的变形量

图4 巷道表面的变形速度

5 结论

南河煤业15#煤层现开采开拓过程中，巷道支护效果很差，最主要的原因是锚杆锚索不匹配，锚固性差。通过改进锚固设备，顶锚杆选用Φ20×2000mm左旋螺纹钢高强度锚杆，帮锚杆选用Φ20×1800mm左旋螺纹钢高强度锚杆，使用Φ17.8mm，长为6200mm，有效长度6000mm左右的1×7股高强度且低松弛钢绞线制锚索，对巷道进行了支护设计并现场验证，最终巷道两帮移近量约为150mm，顶底板移近量约为250mm，说明围岩控制改进技术取得了明显的进步，保证了矿井的安全生产。