蔡志炯

（大同煤礦集團金莊煤業(yè)有限責任公司，山西 大同037000）

1 概述

井下采煤工作面回采巷道支護設計的方法很多，有理論計算法、工程類比法、監(jiān)控設計法〔1〕等，但后兩種方法在現(xiàn)場的應用較多。實際回采巷道支護設計也不是一次完成的，而是一個動態(tài)過程〔2〕，一般要經(jīng)過初 步設計、井下試驗觀測、信息反饋和修正設計以及井下監(jiān)測再修正等幾個環(huán)節(jié)，最終達到比較理想的支護參數(shù)。評價支護方案是否合理的標準是回采巷道在工作面采動影響下仍然能保持穩(wěn)定和滿足使用要求。一般情況下，回采巷道要受到兩次采動影響，即上區(qū)段工作面?zhèn)认蛑С袎毫τ绊懞捅緟^(qū)段工作面超前支承壓力影響〔3〕。在采動影響下，工作面巷道的力學響應不斷變化，巷道變形不斷增加。因此，只有經(jīng)歷兩側(cè)采動影響的考驗，才能判定其支護參數(shù)是否合理，支護方案應隨之加以改進。因此，對于新建礦井，只有對礦井最先開采的幾個工作面的回采巷道進行監(jiān)測之后才能逐漸優(yōu)化回采巷道的支護參數(shù)，達到既能保證回采巷道安全又能節(jié)約支護成本的目的。

針對新建礦井特厚煤層回采巷道支護參數(shù)的優(yōu)化問題，金莊礦的做法是，先采用聲波探測方法確定了回采巷道松動圈范圍，并參考類似條件巷道支護參數(shù)，制定了初步支護方案。通過首采工作面回采過程中巷道變形、頂板錨桿錨索軸向力變化，對初始支護方案進行了優(yōu)化，并將其應用到后續(xù)巷道支護中，現(xiàn)場應用表明優(yōu)化后的支護方案不僅能夠完全滿足安全、生產(chǎn)需要，而且節(jié)約了成本。

2 工程背景

金莊礦8203工作面為該礦的首采工作面，該工作面位于北二盤區(qū)。工作面回采巷道初步設計在8203首采工作面實施，并監(jiān)測工作面掘進和回采過程中巷道變形和錨桿、錨索軸向力監(jiān)測。通過以上監(jiān)測手段，優(yōu)化巷道支護參數(shù)，并將優(yōu)化后的支護結(jié)構(gòu)形式應用到隨后開采的8202工作面。

北一盤區(qū)主采石炭系3?！?＃煤層，厚度12.2～18.10 m，平均15.45m，采用大采高綜放開采。煤層傾角3°～4°，平均埋深320m左右。煤層偽頂為灰黑色泥巖，厚度0.6～6m；直接頂為灰白色細砂巖，厚度5～12m，平均7.48 m；老頂為灰白色含礫粗砂巖、粉砂巖與中粒砂巖互層，厚度15～30m，平均20.86m。直接底為灰黑色泥巖，厚度1.2～10.6m，平均3.57m；老底為灰白色中粒砂巖與細砂互層，厚度5～26m，平均10.62m。

3 初始支護設計方案及評價

3.1 松動圈范圍確定

確定巷道掘進過程中圍巖松動圈范圍是制定回采巷道支護方案的關(guān)鍵，采用BA－II型圍巖松動圈測試儀對圍巖松動圈范圍進行探測。考慮到實驗方案將在8203回風順槽中進行現(xiàn)場試驗，為獲得較為準確的現(xiàn)場數(shù)據(jù)，并結(jié)合金莊礦煤巷成孔特點，將松動圈測試點布置在距回采面300m、600m和1200m處，共布置3個測站（見圖1－a），每個測站布置7個鉆孔，分別位于巷道頂板兩邊和中間，兩幫腰線上下位置（見圖1－b）。

圖1 松動圈探測位置及探孔布置

現(xiàn)以左幫z－1號探測結(jié)果進行分析（見圖2）。巷道左幫1號測孔在距工作面迎頭300m位置處的測試結(jié)果可以看出，煤體最高聲速為98.3mm／s，最低聲速為40 mm／s。且隨著孔深的增加，聲波波速在距孔口1.7m以內(nèi)時，聲波波速較低，基本在40mm／s左右，在1.8～2.9 m范圍內(nèi)，聲波波速不斷增大并逐漸趨于穩(wěn)定，在3～3.7 m范圍內(nèi)基本穩(wěn)定在85mm／s左右，經(jīng)分析可知，該處松動圈的大小可確定為1.7m。

圖2 左幫1號孔不同斷面聲波波速與鉆孔深度曲線

左幫z－1號測孔在距工作面迎頭600m位置處的測試結(jié)果可以看出，煤體最高聲速為91.8mm／s，最低聲速為79mm／s。且隨著孔深的增加，聲波波速在距孔口1.6 m以內(nèi)時，聲波波速較低，基本在80mm／s左右，在1.7～2.4m范圍內(nèi)，聲波波速基本穩(wěn)定在85～90mm／s之間，在2.5～3.7m范圍內(nèi)，聲波波速呈現(xiàn)波動上升的趨勢并最終穩(wěn)定在90mm／s左右，這種波動上升說明此處巷道的巖體節(jié)理裂隙可能較發(fā)育，但仍處于穩(wěn)定狀態(tài)，經(jīng)分析可知，該處松動圈的大小可確定為1.6m。

左幫z－1號測孔在距工作面迎頭1200m的位置處的測試結(jié)果可以看出，煤體最高聲速為91.8mm／s，最低聲速為50.5mm／s。且隨著孔深的增加，聲波波速在距孔口2.0m以內(nèi)時，聲波波速較低，處于65mm／s以內(nèi)，在2.1～2.9m范圍內(nèi)，聲波波速不斷增大并逐漸趨于穩(wěn)定，在3～3.7m范圍內(nèi)穩(wěn)定在80mm／s以上，經(jīng)分析可知，該處松動圈的大小可確定為2.0m。

綜上分析可知，巷道左幫1號測孔位置處的圍巖松動圈大致可確定為1.6～1.8m之間，局部較破碎地帶圍巖松動圈可達到2.0m。

通過對金莊煤業(yè)8203巷3個斷面共12鉆孔的松動圈測試可知，松動圈的深度在1.5～2.1m范圍內(nèi)（見圖3）。因此，金莊煤業(yè)同煤層巷道掘進時，錨桿支護的錨固深度應該不小于2.1m。

圖3 不同斷面鉆孔的松動圈深度

3.2 初始支護設計方案

首采工作面8203回風順槽為矩形斷面，寬5.2m，高3.5m。根據(jù)巷道松動圈探測結(jié)果，并參考同煤集團特厚煤層放頂煤工作面回采巷道和周邊礦井支護方案，確定巷道的支護參數(shù)。

巷道頂板采用Φ22×2400mm左旋無縱筋螺紋鋼錨桿，頂板間排距為900mm×1000mm，托盤均選用高強度托盤，托板規(guī)格為150mm×150mm×10mm，錨固長度為1200mm，錨固力不小于6t，預緊力矩不低于150N·m；錨桿均采用三花布置。頂板金屬網(wǎng)采用Ф6.0mm冷拔鋼筋制作，規(guī)格為2000mm×1000mm，網(wǎng)格為100mm×100 mm，金屬網(wǎng)每逢一格采用14＃雙股鉛絲對稱綁扎牢固。頂板鋼帶均選用W型鋼帶規(guī)格采用長×寬×厚為4700 mm×160mm×3mm，錨桿均布置在鋼帶上。頂板錨索采用三二三布置，規(guī)格采用Φ17.8mm×8300mm，配套金屬托板規(guī)格均為300mm×300mm×16mm，排間距為2000 mm×2000mm，并且頂板角錨桿、角錨索角度不小于75°。

巷道左幫為玻璃鋼錨桿同塑料網(wǎng)聯(lián)合支護。玻璃鋼錨桿均采用Φ20mm×2200mm右旋螺紋樹脂錨桿，間排距為1200mm×1000mm，托盤均選用塑鋼托盤，托板規(guī)格為150mm×150mm×10mm，螺帽均為塑鋼。玻璃鋼錨桿錨固長度為600mm，錨固力不小于70kN，玻璃鋼錨桿均采用三花布置。左幫采用塑料網(wǎng)，規(guī)格長×寬為2000 mm×1000mm，網(wǎng)格為50mm×50mm，鋼筋網(wǎng)與塑鋼網(wǎng)連接處不搭接。

巷道右?guī)筒捎忙?2mm×2400mm左旋無縱筋螺紋鋼錨桿，間排距為1200mm×1000mm，托盤均選用高強度托盤，托板規(guī)格為150mm×150mm×10mm，錨固長度為1200mm，錨固力不小于6t，預緊力矩不低于150N·m。錨桿均采用三花布置。采用Ф6.0mm冷拔鋼筋制作的金屬網(wǎng)，規(guī)格為2000mm×1000mm，網(wǎng)格為100mm×100 mm；金屬網(wǎng)每逢一格采用14＃雙股鉛絲對稱綁扎牢固。具體支護方案見圖4。

巷道底板：鋪底厚度均為200mm，砼強度為C25。

圖4 8203回風巷初始支護方案設計

3.3 支護方案評價

巷道掘進過程中對巷道變形和錨桿錨索阻力進行了實測，結(jié)果表明，巷道開挖之后頂?shù)装宓囊平俣纫煊趦蓭褪諗克俣?，兩幫的穩(wěn)定要先于頂?shù)装濉Ｗ罱K，頂板的收斂量為47mm，大于兩幫收斂量41mm。對頂板及兩幫的錨桿錨固力進行觀測，發(fā)現(xiàn)頂板最大錨桿的錨固力87 kN，大于兩幫的最大錨固力68kN。以上觀測數(shù)據(jù)表明，采用現(xiàn)階段的支護方案可以保證回采巷道在掘進期間的穩(wěn)定性。

在8203工作面回采期間，隨工作面靠近，回采巷道變形情況見圖5。由圖5可以看出在工作面前方50m左右，巷道變形開始快速增加，最終頂板下沉量為17cm左右，兩幫移近量稍大，為20cm左右。

圖5 隨工作面靠近8203巷道變形情況

整體看來巷道變形量不大，工作面回采過程中不需要對巷道進行加強支護，巷道可以保持較好的穩(wěn)定性。觀測還發(fā)現(xiàn)頂板離層量在3～6cm之間，離層量較小，且均發(fā)生在頂板淺部，因此可以適當減小頂板的錨索支護密度。即使在靠近工作面位置，也沒有發(fā)生巷道頂角破碎嚴重，出現(xiàn)網(wǎng)兜的情況，考慮到頂角錨索施工困難，因此后續(xù)巷道支護設計中可以考慮去掉頂角錨索，而增加最靠近行幫錨桿的傾斜角度。

相對頂板變形，兩幫移近量較大，因此可將兩幫錨桿支護排距適當減小。

4 優(yōu)化方案設計及評價

根據(jù)以上觀測結(jié)果制定優(yōu)化后的巷道支護方案為：將原有支護頂板錨索排距降低0.5m，且每排只打2根錨索，錨索密度減小，考慮到施工頂板傾斜錨索打孔困難，費工費時，在優(yōu)化方案中錨索采用垂直頂板施工，同時取消2個肩窩錨桿；左右兩幫錨桿類型同原方案，只是間距減少0.2m，錨桿支護密度增大。具體支護方案見圖6。

圖6 優(yōu)化后的支護方案

8202工作面回采巷道采用此優(yōu)化后的支護方案，在受到兩次采動影響時回采巷道頂板最大下沉量為32cm左右；兩幫移近量為28cm左右。在與8202工作面平行位置巷道內(nèi)錨索受力均達到200kN以上，充分發(fā)揮了支護效能?？傮w來看，巷道圍巖完整、穩(wěn)定，總變形量不大，完全能夠滿足安全生產(chǎn)的需要。采用優(yōu)化的支護方案后，節(jié)約了支護成本和施工進度；每100m巷道可節(jié)省50根錨索及166根錨桿，工作時間節(jié)省174h，安全技術(shù)效果明顯，經(jīng)濟效益可觀。

5 結(jié)語

金莊煤礦特厚煤層回采巷道支護方案的優(yōu)化，通過8203、8202兩工作面試點，采用聲波探測技術(shù)，對矩形大斷面全煤巷松動圈進行實測，結(jié)合初步設計支護方案的實驗、修改和完善，最終確定了既符合巷道變形小能滿足安全生產(chǎn)需要，又節(jié)省成本、提高施工速度的回采巷道支護方式，為金莊煤礦特厚煤層的開采積累了有益的經(jīng)驗。

〔1〕吳志祥，李安紅，梁建軍，等.錨桿支護動態(tài)信息設計法在常村礦的應用〔J〕.煤礦開采，2001（3）：24－25，38.

〔2〕康紅普 .煤巷錨桿支護動態(tài)信息設計法及其應用〔J〕.煤礦開采，2002（01）：5－8.

〔3〕白慶升，屠世浩，袁 永，等 .基于采空區(qū)壓實理論的采動響應反演〔J〕.中國礦業(yè)大學學報，2013（03）：355－361.