晋北煤业工作面煤巷支护技术优化实践

王瑞捷

(霍州煤电集团有限责任公司，山西 霍州 031400)

0 引言

随着煤炭资源的不断开采，矿井开采的深度和强度不断增加，趋向于开采地质条件较为复杂的煤层，受到深部高地应力的影响，许多巷道围岩发生软化现象[1-3]，巷道围岩破碎，变形较为严重，原有的支护方式难以保证巷道破碎围岩的稳定[4-6]。现阶段，许多研究学者针对巷道支护技术进行了大量研究。例如，张科[7]针对郭庄煤矿大断面全煤巷道，分析了巷道围岩破坏特征，优化了锚杆及锚索间距；王文才[8]采用FLAC3D及正交试验法优化了巷道支护参数，取得了良好的效果；张琪[9]分析得到巷道两帮围岩破坏不大及顶底板完整，优化了支护参数减小了支护强度。因此，针对晋北煤业全煤巷道顶底板具体地质条件下支护技术进行优化研究具有重要的意义。

1 工程概况

1.1 矿井概况

晋北煤业隶属于霍州煤电集团，位于山西省忻州市。其中，5-101工作面东北与一采区皮带巷、一采区轨道巷、一采区回风巷相接，采煤工作面走向长700 m，倾向长180 m，面积为148 060 m2；工作面煤层倾角2°～8°，平均倾角为5°。该工作面煤层为5上号煤，局部5上号煤层与5下号煤层合并，煤层厚度6～9.5 m，平均厚4.62 m，为本井田内稳定可采煤层。矿井绝对瓦斯涌出量为1.73 m3/min，CO2绝对涌出量为2.17 m3/min，为瓦斯矿井。

5-101工作面直接顶为泥岩，厚度为3.0～5.0 m，岩性特征为深灰色，块状，致密状、质坚硬，具裂隙，被方解石脉充填。基本顶为灰岩，厚度为2～6 m，岩性特征为灰黑色，中厚层状，粉砂泥质结构，性脆易碎，含植物根茎化石。5-101工作面直接底板为砂质泥岩，厚度为1～2 m，岩性特征为灰白色，层状，粉砂泥质结构，质较软，含植物化石。

1.2 工作面巷道原支护方式

5-101工作面巷道主要沿5号煤顶板掘进，煤层厚度平均为4.7 m，埋藏浅局部盖山厚度为40～60 m，且裂隙发达。在施工过程中，顶板岩性较差极易塌落，巷道成形差且支护变形量较大，极大影响了安全生产。巷道原支护方式采用工字钢架棚支护，支护成本高，工人劳动强度大，安全隐患发生几率较大，同时单一的架棚支护无法保证破碎顶板、断层、风氧化带、顶板淋水等地质状况下的巷道支护效果。

1.3 巷道断面形状及尺寸

巷道断面形状：巷道断面形式主要为矩形、拱形、马蹄形和梯形等，根据晋北煤业工作面具体地质条件，且开掘的工作面巷道服务年限不长，确定巷道采用矩形断面[10]。

巷道断面尺寸：根据《煤矿安全规程》可知，巷道尺寸由设备宽度及人行通道宽度相加总和来确定。晋北煤业工作面运输巷道的设备与两侧的巷帮、人行道距离均不小于500 mm，行人道宽度不小于800 mm，行人侧有水沟，宽度不小于500 mm，则晋北煤业5-101工作面运输巷最小净宽度[11]

B=a+b+c+d+e

(1)

式中：a—皮带输送机宽度，取1 600 mm；b—水沟宽度，取600 mm；c—人行道宽度，取800 mm；d—皮带输送机外缘到同侧人行道之间的距离，取500 mm；e—皮带输送机外缘到同侧巷帮之间的距离，取500 mm；B—巷道净宽度，mm。经计算可知，5-101工作面运输巷最小净宽度为4.0 m，考虑宽度及安全系数和施工作业方便，最终确定晋北煤业5-101工作面运输巷净宽度为4.2 m。综合考虑皮带输送机的高度、管道及风筒的悬挂、工作面通风量的要求，最终确定运输巷的高度为3.5 m。因此，运输巷宽度4.2 m，高度3.5 m，断面面积为14.7 m2。回风巷断面计算同运输巷。

2 巷道支护技术优化

2.1 工程类比法确定巷道支护方式

类似矿井主要支护参数：工作面巷道的合理支护方式取决于煤层的不同赋存条件和支护参数的优化配置，相似工况条件下的成功支护经验对于巷道支护具有十分重要的借鉴意义，表1为类似矿井工作面巷道主要支护参数。

支护方式确定：由以上3个矿井相似工作面地质条件巷道所采取的支护方式进行对比分析，可发现均采用锚杆+锚网索联合支护方式，在顶板为泥岩等软岩时，可以保证巷道的安全稳定。因此，晋北煤业工作面巷道采用锚杆+锚网索+钢带联合支护方式。

2.2 理论计算确定巷道支护参数

采用理论计算的方法，确定巷道支护的基本参数[12]。

锚杆长度：

L=L1+L2+L3

(2)

L2=B/2f

(3)

式中：L1—为锚杆外露长度，取50 mm；L2—为锚索深入稳定岩层长度，取200 mm；L3—锚杆的有效长度，mm；B—巷道跨度，取4.3 m；f—岩石坚固系数，根据实验室测试取1.1。将数值代入上式，得锚杆长度L=2.2 m。

锚杆直径：

(4)

式中：Q—为锚杆锚固力，直径20 mm的锚杆取80 kN；σ—锚杆杆体的设计抗拉强度，取335 MPa。将数值代入上式，得锚杆直径d=17.46 mm，为了一定的安全系数，取锚杆直径为20 mm。

表1 类似矿井工作面巷道主要支护参数

锚杆间排距：一般情况下，锚杆间排距相等，即

(5)

式中：k—锚杆安全系数，取1.5；γ—岩体容重，取25.6 kN/m3。将数值代入上式，得锚杆间排距a=1.19 m，考虑到回采采动及其他扰动影响，将顶板锚杆的间排距设计为1 m。

锚索长度：锚索长度按下式计算

L=L1+L2+L3

(6)

式中：L1—锚杆锚固长度，取1.6 m；L2—锚索外露长度，取0.2 m；L3—需要锚索加固的破碎围岩高度，为压力拱高度再考虑1.5倍的安全系数，取3.5 m。将数值代入上式，得锚索长度为5.3 m。

锚索排距：

(7)

式中：B—巷道最大冒落宽度，取4.3 m；H—巷道最大冒落高度，取3 m；L1—锚杆排距，取1 m；F1—锚杆锚固力，取80 kN；F2—锚索极限承载力，取353 kN；θ—锚杆与巷道顶板的夹角，取75°；n—每排锚杆的数量，取2。将数值代入上式，得锚索排距L′=3.1 m，由于晋北煤业煤层顶板岩层厚度变化较大，且顶板较为复杂破碎，故将锚索间排距设计为2 m。

2.3 巷道支护方案

图1 巷道顶板支护平面图

顶板支护方案：巷道顶板采用规格为φ20 mm×2 200 mm的左旋无纵筋螺纹钢锚杆，间排距为950 mm×1 000 mm，如图1所示。钢托盘规格为150 mm×150 mm×10 mm，锚杆锚固均采用两支树脂药卷锚固，规格为K2340和Z2388各一支，锚固长度为1 200 mm，预紧扭矩不小于150 N·m。锚索规格为φ17.8 mm×5 300 mm的1×7股钢绞线锚索，采取“二二”布置，每隔两排锚杆支护一排锚索，每排锚索有2根，即间排距为1 800 mm×2 000 mm。配套300 mm×300 mm×20 mm金属平托盘。采用三支树脂药卷锚固，一支规格为K2340，两支规格为Z2388，锚固长度为2 000 mm，张拉预紧力不小于150 kN。顶板托梁均选用钢筋梯形梁，若顶板破碎时选用W型钢带，规格采用为5 000 mm×220 mm×3 mm(长×宽×厚)，锚杆均布置在钢带上。

巷帮支护：巷道帮部采用φ18 mm×2 000 mm左旋无纵筋螺纹钢锚杆，间排距为1 000 mm×1 000 mm，托盘均选用钢托盘，托板规格为150 mm×150 mm×10 mm，锚杆锚固均采用一支树脂药卷锚固规格为Z2388，锚固长度为1 200 mm，预紧扭矩不小于120 N·m，如图2所示。巷道支护方式断面如图3所示。

图2 两帮支护剖面图

图3 巷道支护断面图

3 现场应用

3.1 支护效果分析

数据记录：5-101工作面巷道采用如上支护技术方案进行支护工作，为研究以上方案参数的合理性及巷道围岩的变形量，在巷道每隔30 m设置一个测站，分别记录巷道两帮及顶底板变形量。

结果分析：通过提取测站数据分析，在工作面回采期间，两帮移近量稳定在103 mm，顶底板移近量稳定在95 mm，完全可以保证巷道的安全稳定，保障工作面的正常回采需求。

3.2 经济效益分析

在晋北煤业矿井工作面将以往的U型棚支护变更为锚网梁支护，在有力的支护理论依据支持下支护形式灵活应用。既有效控制顶板又节约支护成本，降低职工劳动强度，与原来掘进速度相比提高20%，每米成本节约3 000元。

4 结语

针对晋北煤业5-101工作面巷道原支护方式不能满足变形要求等问题，采用理论分析，确定了工作面巷道断面形状为矩形，断面尺寸为4.2 m×3.5 m。采用工程类比法，比较分析了沙坪煤矿18204工作面、王庄煤矿6207工作面、马道头煤矿2203工作面3个类似的工作面巷道围岩条件，结合晋北煤业工作面巷道的顶底板特点，总结得出当巷道顶板岩层为泥岩等软岩时，可以采用“锚杆+锚网索+钢带”联合支护方式，并针对晋北煤业5-101工作面具体条件，理论计算得出了各支护方式参数。通过现场应用，此支护方案可以保证5-101工作面巷道的稳定，且取得了较大的经济效益。