王虎偉

(潞安化工集團(tuán) 常村煤礦，山西 長(zhǎng)治 046102)

塔山礦井位于大同煤田東翼中東部邊緣地帶，井田面積170.8 km2，地質(zhì)儲(chǔ)量50億t,可采儲(chǔ)量30億t，現(xiàn)有5個(gè)可采煤層。礦井采用平硐開(kāi)拓，分區(qū)獨(dú)立通風(fēng)；2個(gè)水平開(kāi)采，劃分有7個(gè)盤(pán)區(qū)。1、2盤(pán)區(qū)為投產(chǎn)盤(pán)區(qū)，3盤(pán)區(qū)為達(dá)產(chǎn)盤(pán)區(qū)；設(shè)計(jì)3個(gè)綜采工作面(2個(gè)放頂煤綜采工作面、1個(gè)普通綜采工作面)，達(dá)到1 500 t/a的設(shè)計(jì)能力。

塔山礦井主采石炭二疊系的太原組5號(hào)(3號(hào)～5號(hào))煤層，該煤層頂板一般為炭質(zhì)泥巖、粉砂巖。底板為泥巖或粉砂巖；井下巷道斷面為17～17.8 m2，工作面巷道斷面為13.2～17.4 m2；井田內(nèi)斷裂構(gòu)造較為發(fā)育，全礦井共有斷層60多條，多數(shù)斷層延展長(zhǎng)度短，落差小，但對(duì)煤層的破壞作用較大；同時(shí)，首采的一、二盤(pán)區(qū)煌斑巖侵入5號(hào)(3號(hào)～5號(hào))煤層上部6 m左右，受煌斑巖侵入體的穿插破壞，煤層受熱變質(zhì)或硅化，使煤層的結(jié)構(gòu)和煤質(zhì)更加復(fù)雜。鑒于以上各因素，對(duì)塔山煤礦井下巷道的支護(hù)造成一定影響。

1 煤層賦存情況

大同煤田為雙系煤田，塔山礦是晉能控股煤業(yè)由開(kāi)采侏羅系煤層轉(zhuǎn)入石炭二疊系的首座特大型礦井，其煤層結(jié)構(gòu)與賦存條件與井田內(nèi)侏羅系煤層相比，存在較大差異，主要有以下特點(diǎn)：

1.1 煤層厚度大，節(jié)理裂隙發(fā)育

全井田5號(hào)(3號(hào)～5號(hào))煤層總厚1.63～29.21 m，平均厚15.72 m，首采區(qū)5號(hào)(3號(hào)～5號(hào))煤層平均厚13 m左右。同時(shí)煤層節(jié)理裂隙較發(fā)育，見(jiàn)圖1。

圖1 5號(hào)(3號(hào)～5號(hào))煤層頂?shù)装鍘r性柱狀示意

1.2 頂?shù)装鍡l件較復(fù)雜

5號(hào)(3號(hào)～5號(hào))煤層頂板一般為炭質(zhì)泥巖和粉砂巖。底板為高嶺質(zhì)泥巖，灰黑色粉砂巖。直接頂厚度分布較均勻，一般為2～8 m，最厚處為12.34 m，最薄處僅0.17 m。直接頂在火成巖侵入?yún)^(qū)，巖性主要為火成巖、炭質(zhì)泥巖等，結(jié)構(gòu)復(fù)雜?；鸪蓭r的普氏硬度為Ⅳ甲類，屬相當(dāng)堅(jiān)硬的巖石；炭質(zhì)泥巖的普氏硬度為Ⅶ-Ⅴ甲類，屬相當(dāng)軟的巖石。

1.3 巖漿巖侵入影響

巖漿巖侵入處的煤層均發(fā)生了受熱變質(zhì)、硅化現(xiàn)象，煌斑巖侵入5號(hào)(3號(hào)～5號(hào))煤層僅在上部6 m左右，約占區(qū)域面積的1/2。煤層的結(jié)構(gòu)和煤質(zhì)更加復(fù)雜?；烀航Y(jié)構(gòu)疏松、易碎，再加上煤層可采厚度變化大，對(duì)礦井巷道圍巖影響很大。

1.4 地質(zhì)構(gòu)造較簡(jiǎn)單，斷層較發(fā)育

該井田屬大同向斜的中東翼，為一走向北東，傾向北西的單斜構(gòu)造，對(duì)煤層的開(kāi)采影響不大。井田內(nèi)大部分地區(qū)的地層產(chǎn)狀平緩，地層傾角一般在5°以內(nèi)。

2 巷道原支護(hù)設(shè)計(jì)

1) 斷面形狀：井下開(kāi)拓、準(zhǔn)備及回采巷道均采用矩形斷面。

2) 主要支護(hù)參數(shù)(錨桿形式和規(guī)格)：桿體采用18號(hào)普通A3鋼，反麻花式錨桿。開(kāi)拓及準(zhǔn)備巷道錨桿長(zhǎng)度為2 000 mm(頂)/1 700(幫) mm，排間距為900 mm×1 000 mm(頂)/ 1 200 mm×1 500 mm(幫)；回采巷道長(zhǎng)度為2 000 mm(頂)/1 700(幫) mm，排間距為800 mm×1 000 mm(頂)/850 mm×1 300 mm(幫)；大巷噴混凝土厚120 mm；砌水泥砂漿片石墻，墻厚400 mm。

錨桿錨固方式：采用端頭錨固；網(wǎng)片規(guī)格：采用8號(hào)鉛絲網(wǎng)片護(hù)頂，網(wǎng)格為100 mm×100 mm；錨索形式和規(guī)格：錨索采用D15.5 mm×6.0 mm鋼絞線，五花布置。排間距為：1 600 mm×3 000 mm。

錨索錨固方式：端頭錨固，錨固長(zhǎng)度1.5 m。

錨索托板：300 mm×300 mm×10 mm方鐵托板。

3) 原支護(hù)分析。① 煤層賦存條件對(duì)巷道支護(hù)的影響。煤層厚度大，主要大巷均布置在煤層中。巷道圍巖松軟破碎，煤層和巖層的不連續(xù)面容易發(fā)生離層，巷道圍巖破壞范圍較大。節(jié)理裂隙特別發(fā)育的破碎煤層中表現(xiàn)得尤為突出。② 巷道斷面及服務(wù)年限對(duì)巷道支護(hù)的要求。采用綜放開(kāi)采的采煤方法，為確保運(yùn)輸、通風(fēng)需求，設(shè)計(jì)巷道斷面較大。開(kāi)拓準(zhǔn)備大巷為永久巷道，服務(wù)年限長(zhǎng)，所以巷道支護(hù)必須充分考慮時(shí)間因素的影響。③傳統(tǒng)錨桿支護(hù)方式的缺陷。原設(shè)計(jì)巷道支護(hù)采用傳統(tǒng)的錨桿支護(hù)，這種支護(hù)方式的參數(shù)對(duì)該礦特厚復(fù)雜煤層的支護(hù)效果有限，屬單一被動(dòng)的、低強(qiáng)度和低剛度的支護(hù)方式，不能有效發(fā)揮巷道圍巖的自身承載作用，且巷修費(fèi)用高、不能有效控制圍巖變形，影響巷道安全。④應(yīng)用效果。在掘進(jìn)過(guò)程中，采用原支護(hù)設(shè)計(jì)，在實(shí)踐過(guò)程中巷道出現(xiàn)過(guò)局部垮塌現(xiàn)象。

3 支護(hù)設(shè)計(jì)優(yōu)化

結(jié)合上述分析，該礦對(duì)煤巷錨桿支護(hù)重新進(jìn)行了動(dòng)態(tài)信息法優(yōu)化設(shè)計(jì)。主要包含兩大特點(diǎn)：其一，設(shè)計(jì)不是一次完成，而是一個(gè)動(dòng)態(tài)過(guò)程；其二，設(shè)計(jì)充分利用每個(gè)過(guò)程中提供的信息。該設(shè)計(jì)方法有5個(gè)組成部分：①試驗(yàn)點(diǎn)調(diào)查和地質(zhì)力學(xué)評(píng)估；②初設(shè)設(shè)計(jì)；③井下監(jiān)測(cè)；④信息反饋和修改設(shè)計(jì)；⑤日常監(jiān)測(cè)。

將原設(shè)計(jì)錨桿、錨索及托板的材料性能及尺寸均進(jìn)行了調(diào)整，并增加了W鋼帶、29U鋼棚及壁后注漿支護(hù)。設(shè)計(jì)提高了支護(hù)材料的強(qiáng)度、剛度及可靠性。強(qiáng)調(diào)發(fā)揮支護(hù)材料的主動(dòng)支護(hù)能力，變單一錨網(wǎng)噴支護(hù)為錨網(wǎng)索鋼帶噴+29U鋼棚的聯(lián)合支護(hù)方式，通過(guò)將巷道斷面形狀由矩形改為拱形并采用壁后注漿來(lái)增加圍巖自身的承壓結(jié)構(gòu)，通過(guò)高可靠性的錨固力、預(yù)緊力檢測(cè)手段，控制圍巖變形，合理控制支護(hù)間排距，達(dá)到改進(jìn)支護(hù)效果的做法。

支護(hù)材料：錨桿支護(hù)間排距及規(guī)格：錨桿桿體為左旋無(wú)縱筋螺紋鋼筋，專用錨桿鋼材。桿體公稱直徑為22 mm，極限拉斷力為265 kN，屈服力為190 kN，延伸率為17%.桿尾螺紋規(guī)格為M24 mm，采用滾壓加工工藝成型。開(kāi)拓及準(zhǔn)備巷道(拱形)長(zhǎng)度為3 000 mm(頂)/2 400(幫) mm，排間距為700 mm×700 mm(頂)/ 700 mm×700 mm(幫)；回采巷道(矩形)長(zhǎng)度為2 400 mm(頂)/2 400(幫) mm，排間距為700 mm×700 mm(頂)/700 mm×700 mm(幫)；大巷噴混凝土厚120 mm，混凝土強(qiáng)度為C20。

錨固藥卷：頂錨桿采用2支樹(shù)脂藥卷樹(shù)脂加長(zhǎng)錨固，樹(shù)脂藥卷規(guī)格為K2335、Z2360。鉆孔直徑為28 mm，錨固長(zhǎng)度為1 200 mm；幫錨桿采用樹(shù)脂加長(zhǎng)錨固，采用2支樹(shù)脂藥卷，分別為K2335、Z2360。鉆孔直徑為28 mm，錨固長(zhǎng)度為1 000 mm。

錨桿托板：采用拱型高強(qiáng)度鋼托板，托板規(guī)格為150 mm×150 mm×10 mm；W形鋼帶規(guī)格：厚度為3 mm，寬度為250 mm；網(wǎng)片規(guī)格：采用6號(hào)鋼筋網(wǎng)片護(hù)頂，網(wǎng)孔規(guī)格為100 mm×100 mm；錨索間排距和規(guī)格：錨索索體材料為高強(qiáng)度低松弛鋼絞線，公稱直徑為17.8 mm，極限拉斷力為355 kN，延伸率為3%、錨索頭部設(shè)有樹(shù)脂藥卷攪拌頭，尾部配有高強(qiáng)度錨具。沿巷道頂板中心對(duì)稱布置(即巷道中心兩側(cè)各800 mm)，間排距1 600 mm×2 000 mm(開(kāi)拓準(zhǔn)備巷道)/1 600 mm×3 000 mm(回采巷道)。

錨固方式：采用3支樹(shù)脂藥卷加長(zhǎng)錨固，1支為K2335快速錨固劑，2支為Z2360中速錨固劑，錨固長(zhǎng)度為1 800 mm。開(kāi)拓準(zhǔn)備巷道需要增加灌注水泥漿進(jìn)行全長(zhǎng)錨固，水泥標(biāo)號(hào)為525號(hào)，水灰比為0.5∶1，最終注漿壓力1.5～2.0 MPa。

錨索托板：規(guī)格為300 mm×300 mm×16 mm，高強(qiáng)度錨索鋼托板。

破碎段支護(hù)：增加29U型鋼棚(開(kāi)拓準(zhǔn)備巷道)或11號(hào)礦用工字鋼(回采巷道)支護(hù)，排距為700 mm。

應(yīng)用效果：通過(guò)在各巷應(yīng)用，實(shí)踐證明優(yōu)化后的巷道形狀及支護(hù)形式有效地保證了巷道的順利掘進(jìn)，能夠滿足礦井安全高效生產(chǎn)的要求。但存在巷道支護(hù)成本較高問(wèn)題，因此有必要在保證支護(hù)效果的基礎(chǔ)上，再對(duì)其進(jìn)行降低成本的優(yōu)化設(shè)計(jì)。

4 支護(hù)降本優(yōu)化設(shè)計(jì)

通過(guò)對(duì)標(biāo)山東、江蘇等地質(zhì)條件復(fù)雜的大型礦井，結(jié)合礦井井下實(shí)際情況，對(duì)井巷支護(hù)設(shè)計(jì)進(jìn)行了降本優(yōu)化：

1) 斷面形狀。主要開(kāi)拓、準(zhǔn)備巷道仍采用半圓拱型斷面，回采巷道采用矩形斷面。

2) 錨桿形式和規(guī)格：桿體采用22號(hào)左旋無(wú)縱筋螺紋鋼，材質(zhì)選用20MnSi。開(kāi)拓、準(zhǔn)備及回采巷道頂錨桿長(zhǎng)度為2 500 mm，幫錨桿為1 800 mm，排間距為900 mm；錨固方式：采用端頭錨固；頂錨桿：1支K2335，2支Z2360，錨固長(zhǎng)度1.5 m；幫錨桿：1支K2335，1支Z2360，錨固長(zhǎng)度1.0 m；錨桿托板：采用拱型高強(qiáng)度鋼托板，托板規(guī)格為200 mm×200 mm×10 mm；雙鋼筋托梁：D12鋼筋，寬度為150 mm；網(wǎng)片規(guī)格：頂部采用8號(hào)鋼筋網(wǎng)片支護(hù)，網(wǎng)孔規(guī)格為100 mm×100 mm。

錨索形式和規(guī)格：索體材料為高強(qiáng)度低松弛預(yù)應(yīng)力鋼絞線，公稱D17.8 mm。錨索頂部設(shè)有樹(shù)脂錨固劑攪拌頭及錨固劑擋圈, 錨索尾部配有同索體材料同樣強(qiáng)度錨具。沿巷道頂板中心對(duì)稱布置(即巷道中心兩側(cè)各800 mm)，間排距1 600 mm×2 700 mm。

錨固方式：端頭錨固—1支K2335，2支Z2360，錨固長(zhǎng)度1.5 m；錨索托板：規(guī)格300 mm×300 mm×16 mm，高強(qiáng)度錨索托板(帶調(diào)心球墊)承載能力不低于40 t；破碎段支護(hù)：29U型鋼棚(或11號(hào)礦用工字鋼)支護(hù)，排距為900 mm。

3) 應(yīng)用效果：以上優(yōu)化后的巷道支護(hù)形式，自2016年6月應(yīng)用至今，證明不僅能夠有效保證巷道支護(hù)效果，同時(shí)大大降低了支護(hù)成本。

5 支護(hù)設(shè)計(jì)改造前后經(jīng)濟(jì)效益對(duì)比

通過(guò)優(yōu)化支護(hù)設(shè)計(jì)，巷道每米支護(hù)材料消耗量明顯減少，支護(hù)單價(jià)明顯下降。由于塔山礦井田面積大，井下開(kāi)拓巷道多，優(yōu)化支護(hù)設(shè)計(jì)后的材料節(jié)約費(fèi)用是相當(dāng)可觀的，節(jié)省費(fèi)用估算見(jiàn)表1。

表1 二盤(pán)區(qū)大巷優(yōu)化前后每米支護(hù)材料消耗量對(duì)照

二盤(pán)區(qū)大巷共3條，總計(jì)約18 000 m，按照調(diào)研市場(chǎng)價(jià)格(錨桿70元/套；錨索150元/套；鋼帶5.3元/kg；29U鋼棚5.8元/kg)計(jì)算，二盤(pán)區(qū)大巷在實(shí)施設(shè)計(jì)優(yōu)化后，共節(jié)省直接投資約為1 000萬(wàn)元。

6 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)采用動(dòng)態(tài)信息法，對(duì)該礦井下巷道原支護(hù)設(shè)計(jì)進(jìn)行了如下優(yōu)化：

斷面形狀優(yōu)化：井下巷道由矩形斷面優(yōu)化為主要開(kāi)拓、準(zhǔn)備巷道采用半圓拱型斷面，回采巷道采用矩形斷面。

支護(hù)材料優(yōu)化：將原設(shè)計(jì)錨桿、錨索及托板的材料性能及尺寸進(jìn)行了調(diào)整，提高了支護(hù)材料的強(qiáng)度、剛度及可靠性。并增加了W鋼帶、29U鋼棚及壁后注漿支護(hù)措施。強(qiáng)調(diào)發(fā)揮支護(hù)材料的主動(dòng)支護(hù)能力，變單一錨網(wǎng)噴支護(hù)為錨網(wǎng)索鋼帶噴+29U鋼棚的聯(lián)合支護(hù)方式。

支護(hù)參數(shù)優(yōu)化：將原設(shè)計(jì)中的錨桿、錨索長(zhǎng)度及支護(hù)密度進(jìn)行了調(diào)整優(yōu)化。

經(jīng)濟(jì)效益：優(yōu)化支護(hù)設(shè)計(jì)前后經(jīng)濟(jì)效益顯著，以二盤(pán)區(qū)大巷為例共節(jié)省支護(hù)費(fèi)用約1 000萬(wàn)元。