回采巷道支护问题分析与改进设计研究

崔亮亮

（山西霍宝干河煤矿有限公司， 山西 洪洞 031400）

引言

煤炭作为推动我国经济飞速发展的主要能源之一，近年来的需求量越来越大，煤炭采掘工作量也在逐年增加。与此同时煤矿采掘过程中的瓦斯爆炸、巷道围岩变形、透水等事故时有发生，严重制约了煤炭开采的效率，尤其是巷道围岩变形，现已引起了煤炭企业的广泛关注[1-3]。巷道支护作为控制围岩变形的重要措施，其设计工作不仅涉及工程力学、岩土力学等理论知识，还要考虑巷道周围的实际地质条件，必须做到理论与实际的有效结合[4-5]。锚杆支护作为一种有效的主动巷道支护方式，已在强化巷道围岩和提高围岩稳定性方面表现出了较好的应用效果，并且具有支护成本低、巷道断面利用率高、维护简单等优点[6]。因此针对某煤矿现有支护过程中存在的问题，开展支护方式的改进设计工作，对于提高企业采煤的安全性和效益具有重要的意义。

1 巷道概况及存在的问题

煤矿工作面处于丘陵地带，煤层呈现单斜结构，倾角较小，地质条件简单，属于低瓦斯矿井范畴。工作面煤层的赋存条件较为稳定，煤层厚度分布于2.5～5.5 m 之间，平均的煤层厚度为4.5 m，煤层的普氏系数为0.7～1.6，煤的密度为1.4 t/m3。煤层顶部不涉及伪顶，直接顶的地质组成主要是泥岩和砂质泥岩，厚度为1.1～13.5 m，平均厚度为7.5 m，普氏系数为2～4；直接顶之上主要是细砂岩，平均厚度为1.1 m，普氏系数为1～3；再往上是厚度为2.7～28 m 的黏土层，平均厚度为17.16 m，普氏系数为3～6；巷道直接底的地质组成为砂质泥岩和细砂岩，再往下主要为砂岩。

随着煤炭采掘深度的深入，煤层平均埋深已至475 m 左右，给巷道支护提出了更高的要求，煤炭掘进过程中出现了冒顶、片帮等问题，严重威胁着工作面的安全，制约了企业经济效益的进一步提升。

2 巷道问题分析与改进策略

随着巷道采掘深度的加深，冒顶、片帮等问题时有发生。究其原因如下：第一是地质条件较为复杂，巷道周围地应力高、煤体的强度低、煤层的强度差异较大；第二是顶板层理发育，工作面直接顶为泥岩或沙质泥岩，一旦出现微裂纹就会迅速扩展，严重的位置将会出现石块脱落，失去承载能力，进一步发展就出现了冒顶问题；第三是支护预紧力不足，煤炭掘进过程中顶板应力会传递至巷道的两帮，在侧压系数不变时，将会增加两帮上的水平应力，峰值一般出现在巷帮位置。当巷帮不能承受膨胀压力时，就会出现整体外移，出现片帮问题；第四是支护方式不合理，巷道支护采用的是金属可缩性梯形支架支护，应用过程中极易出现支架腿变形，导致巷道围岩的整体破裂脱落，支护方式不能满足巷道支护的要求。

综上所述，支护方式落后是导致巷道出现冒顶和片帮等问题的根本原因，基于此拟引进较为先进的锚杆支护技术，以提高煤矿工作面巷道支护的安全性。

3 回采巷道锚杆支护改进

3.1 巷道断面及支护形式确定

回采巷道作为煤炭采掘生产运行的动脉，巷道断面设计是否合理与采煤掘进过程中的安全生产和采煤效率息息相关，必须引起高度重视。通常巷道断面设计需要坚持如下原则：在确保巷道安全、施工可行的前提下，最大限度地发挥巷道断面利用率，以达到经济实用效果。巷道断面的设计内容和过程如下：首先根据煤炭采掘工作面实际情况确定巷道断面的形状和净断面尺寸，开展风速验算工作；其次以支架参数和巷道断面参数为依据，计算确定巷道的煤炭掘进断面尺寸，要求充分考虑巷道允许的超挖值；最后为巷道的正常运行铺设水沟和管缆，形成巷道断面的工程图纸、巷道特征表、每米巷道施工的工程量和材料消耗量等。参照上述巷道断面设计原则与步骤完成了巷道断面的设计工作，如图1 所示，断面形状为直墙半圆拱形巷道断面，配套的支护形式为螺纹钢树脂锚杆支护。

图1 支护形式

3.2 锚杆支护参数的确定

结合煤矿工作面的实际情况，完成了锚杆支护技术参数的设计，整体布置方案如图2 所示。

图2 巷道支护的断面和参数（单位：mm）

巷道锚杆支护时锚杆杆体使用的是直径尺寸为Φ18 mm 的螺纹圆钢，长度尺寸为1 800 mm，锚杆之间的距离为900 mm，不同锚杆排之间的距离如图2所示，锚杆的最大锚固力为140 kN，全锚杆锚固。采用10 号铁丝纵横交错编织而成的金属网，网孔形状为菱形，规格为100 mm×100 mm，顶板位置使用的金属网规格为4 200 mm×3 000 mm，侧帮位置使用的金属网规格为2 600 mm×3 000 mm，不同网片之间采用搭接焊接，要求搭接长度不少于100 mm。因W 形状的钢带制备较为困难，锚杆孔距的要求严苛，需要消耗大量的钢材，成本较高，此处选择较为常见的钢筋作为钢筋梁，直径为Φ18 mm，具体结构如图3 所示。

图3 钢筋梁结构图

配套的钢筋托梁的参数如下：钢筋直径为Φ18 mm，托梁宽度为80 mm，加强筋间距为80 mm，长度为3 200 mm。两帮及其与顶板垂直连接的地方使用BHT-A 型托板，如图4 所示，规格为Φ128 mm×30 mm，最大承载力为150 kN。巷道拱顶位置的倾斜锚杆使用BHT-B 型托板，如图5 所示，包括托板和托板座两部分组成。

图4 BHT-A 型托板

图5 BHT-B 型托板（单位：mm）

3.3 施工工艺

巷道施工和支护工艺是保证支护质量的基础，由此可见，规范的支护工艺流程至关重要。要求巷道掘进时优先使用光面爆破技术，实现全断面一次成形，严格控制炸药用量和炮眼技术参数，降低出现超挖或者欠挖的情况。巷道掘进步长要求不大于3 000 mm，保证一次爆破成形，减少巷道二次拉底岩石时撞击顶板锚杆和金属网。巷道开挖之后先完成50 mm 混凝土的喷射，挂规格型号为100 mm×100 mm的钢筋网，在滞后巷道掘进头3 000 mm 的位置打锚杆安装孔，孔径尺寸Φ=42 mm，钻孔的深度尺寸为2 000～2 200 mm，按照设计布置图进行施工。将钢筋梁放入钻好的孔内，填充树脂药卷，之后将锚杆插入孔内完成锚杆的一次安装，紧固螺母要求在8 h 内紧固完成。

4 支护效果评价

为了验证锚杆支护技术在煤矿巷道支护过程中的应用效果，对投入使用的巷道锚杆支护段进行了跟踪记录，相较于原金属可缩性梯形支架支护方式，锚杆支护能够形成“围岩—支护结构”，不仅能够充分发挥围岩的承载能力，还能够调动支护结构的抗力。锚杆支护技术的引入，大大改善了巷道内部的工作环境，降低了采矿工人的劳动强度，为企业节约了近20%的支护成本，提高了近10%的巷道断面利用率。巷道掘进过程中受采动影响时，围岩变形量降低近15%，降低了冒顶、片帮等事故的出现概率，减少了因故停产停工的时间，预计能够为企业带来直接经济效益近300 万元/年，取得了很好的应用效果。