許國勝

(陽泉煤業(yè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司 新景礦，山西 陽泉 045000)

新景礦厚煤層托頂煤巷道支護(hù)技術(shù)優(yōu)化及應(yīng)用

許國勝

(陽泉煤業(yè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司 新景礦，山西 陽泉 045000)

針對陽煤集團(tuán)新景礦15號煤層厚煤層托頂煤巷道支護(hù)難題，對井下原有支護(hù)和破壞情況進(jìn)行調(diào)研與分析，提出原有巷道存在支護(hù)初期剛度低、支護(hù)參數(shù)不合理、支護(hù)構(gòu)件力學(xué)性能差、施工工藝和機(jī)具落后等問題，在此基礎(chǔ)上，從地質(zhì)力學(xué)測試、支護(hù)前期試驗、巷道支護(hù)材料、支護(hù)參數(shù)、施工工藝等環(huán)節(jié)進(jìn)行系統(tǒng)優(yōu)化與調(diào)整，在15號煤層15028工作面進(jìn)風(fēng)巷進(jìn)行了井下工業(yè)試驗。試驗表明，通過對原有巷道支護(hù)技術(shù)進(jìn)行優(yōu)化后巷道支護(hù)效果明顯改善，巷道變形量降低70%，支護(hù)成本降低30%，同時提高了巷道掘進(jìn)效率，取得了良好的支護(hù)效果。

厚煤層；巷道支護(hù)優(yōu)化；施工機(jī)具；護(hù)表面積；井下試驗

Optimal and Application of Roadway Support with Extra Thick Coal Seam and Top Coal in Xinjing Coal Mine

巷道支護(hù)技術(shù)是煤礦開采中的關(guān)鍵技術(shù)，合理、安全、可靠的巷道支護(hù)技術(shù)是煤礦實現(xiàn)高產(chǎn)高效的必要前提[1-2]。巷道支護(hù)技術(shù)是一個系統(tǒng)工程和成套技術(shù)，包括：巷道圍巖地質(zhì)力學(xué)評估、錨桿支護(hù)設(shè)計、巷道支護(hù)材料、巷道施工工藝以及巷道礦壓監(jiān)測等多個環(huán)節(jié)[3-4]，因此巷道支護(hù)技術(shù)優(yōu)化應(yīng)當(dāng)從上述各個方面進(jìn)行全面的優(yōu)化和調(diào)整，才能保證巷道支護(hù)技術(shù)的科學(xué)性與合理性[5-6]。

本文以陽煤集團(tuán)新景礦厚煤層托頂煤巷道支護(hù)為工程背景，針對原有巷道支護(hù)存在的問題，對原有巷道支護(hù)技術(shù)進(jìn)行系統(tǒng)優(yōu)化和調(diào)整[7]，并進(jìn)行井下試驗與監(jiān)測，顯著提升巷道圍巖穩(wěn)定性，取得了良好的巷道支護(hù)效果。

1 工程背景

新景煤礦是陽煤集團(tuán)公司下屬主力礦井之一，生產(chǎn)能力達(dá)4.5Mt/a，開采煤層為石炭系3號煤層、8號煤層和15號煤層，圍巖條件復(fù)雜，巷道類型繁多，一般采用錨網(wǎng)索+單體支柱復(fù)合支護(hù)方式。15號煤層平均厚度6.6m，巷道沿煤層底板掘進(jìn)，巷道頂煤厚度達(dá)到3.6～5m，頂板一般采用全錨索進(jìn)行支護(hù)，錨索直徑17.8mm，長度7.2～8.2m，配套采用波紋鋼帶和鑄鋼錨索托板。巷幫采用直徑20mm的麻花圓鋼錨桿，錨桿排距0.8m。局部區(qū)域巷道變形較大，采用補(bǔ)強(qiáng)錨索加強(qiáng)支護(hù)，錨索直徑21.6mm，配合采用槽鋼或工字鋼，部分巷道回采期間補(bǔ)強(qiáng)錨索直徑達(dá)到28.6mm。巷道支護(hù)強(qiáng)度很高，但15號煤層托頂煤巷道支護(hù)效果不理想，部分巷道變形量很大，巷道礦壓顯現(xiàn)十分顯著，錨桿錨索大量破斷和失效，包括直徑為28.6mm的強(qiáng)力錨索，巷道變形十分嚴(yán)重，80124工作面回風(fēng)巷在回采階段頂?shù)装搴蛢蓭妥冃瘟砍^2m，15021工作面回風(fēng)巷屬于托頂煤巷道，在二次動壓影響下托頂煤下位巷道高度不足1m，巷道接近報廢狀態(tài)，巷道支護(hù)和維護(hù)難度大。

2 巷道變形破壞因素分析

針對新景礦15號煤層托頂煤巷道變形大，支護(hù)效果差，分析新景礦巷道支護(hù)技術(shù)狀況，主要存在以下幾方面問題。

(1)支護(hù)設(shè)計理念落后。原有巷道支護(hù)以被動支護(hù)為主，主要依據(jù)懸吊理論和工程經(jīng)驗，對高預(yù)應(yīng)力強(qiáng)力支護(hù)技術(shù)認(rèn)識不足，支護(hù)理念存在誤區(qū)或者錯誤觀念，認(rèn)為將錨索巷道頂板懸吊在穩(wěn)定的巖層上，錨索設(shè)計長度很大，部分錨索長度超10m，施工難度大，但效果一般。

(2)頂幫支護(hù)不合理。新景礦普遍存在頂板支護(hù)強(qiáng)度偏大，巷幫支護(hù)強(qiáng)度偏低的問題，部分巷道頂板采用全錨索進(jìn)行支護(hù)，而巷幫僅采用圓鋼錨桿進(jìn)行支護(hù)，造成巷道兩幫變形嚴(yán)重，引起了巷道底鼓和頂板變形。

(3)支護(hù)材料種類繁多，支護(hù)構(gòu)件協(xié)調(diào)性差。新景礦巷道支護(hù)組合構(gòu)件有：波紋鋼帶、W鋼帶、M鋼帶、槽鋼和工字鋼，托板包括：波紋托板、框式托板、水泥托板、平托板等，錨桿與托板，錨索索體、錨具及構(gòu)件相互協(xié)調(diào)性差。

(4)支護(hù)系統(tǒng)預(yù)應(yīng)力低，護(hù)表面積小，預(yù)應(yīng)力擴(kuò)散效果差。新景礦錨桿預(yù)緊力矩120N·m，錨索預(yù)緊力150kN，錨桿錨索預(yù)緊力偏低，由于支護(hù)構(gòu)件護(hù)表面積小，與巖面呈線接觸，預(yù)應(yīng)力擴(kuò)散效果差，沒有形成高預(yù)應(yīng)力承載結(jié)構(gòu)。

(5)錨桿錨索高預(yù)緊力施工和檢測機(jī)具落后，性能差，可靠性不足，無法施加高預(yù)應(yīng)力，不能有效發(fā)揮錨桿錨索作用。

3 巷道支護(hù)技術(shù)優(yōu)化

3.1 巷道圍巖地質(zhì)力學(xué)參數(shù)測試

采用地質(zhì)力學(xué)原位快速測試系統(tǒng)，對15號煤層15028工作面巷道圍巖地應(yīng)力、圍巖強(qiáng)度和圍巖結(jié)構(gòu)進(jìn)行全方位測試。測試數(shù)據(jù)表明：15號煤層測試區(qū)域最大水平主應(yīng)力16.95MPa，最小水平主應(yīng)力8.69MPa，垂直主應(yīng)力15.03MPa，最大水平主應(yīng)力與最小水平主應(yīng)力方向為北偏東80.8°，與試驗巷道夾角為9.2°，水平應(yīng)力方向與巷道掘進(jìn)方向基本一致。

3.2 巷道支護(hù)前期試驗與測試

新景礦15028工作面進(jìn)風(fēng)巷錨桿和錨索錨固性能測試試驗結(jié)果如表1所示。試驗結(jié)果表明，對于直徑20mm，鋼號500號，長度2.4m，采用1支Ck2340+Z2350雙速錨固劑或1支Z2360樹脂錨固劑，錨桿錨固力達(dá)到159kN，而礦方原有圓鋼錨桿，錨固力在58～72kN之間。直徑17.8mm，長度為6.2m的頂錨索，采用1支Ck2340+Z2380雙速錨固劑，錨固力達(dá)到265kN。對于6.2m錨索通過采用端部增加攪拌頭情況下，錨索錨固力試驗結(jié)果未見顯著提升。同時采用6.2m的錨索錨固力不低于8.2m的錨索錨固力，甚至略有增高。

表1 錨桿錨索錨固性能試驗

3.3 巷道支護(hù)材料優(yōu)化

新景礦通過支護(hù)材料優(yōu)化，有效提升支護(hù)材料力學(xué)性能，改善錨桿錨索受力狀態(tài)，提高支護(hù)系統(tǒng)的可靠性。原有錨索托板從鑄鋼結(jié)構(gòu)(規(guī)格為240mm×200mm×85mm)，優(yōu)化為高強(qiáng)度可調(diào)心拱形錨索托板(規(guī)格為300mm×300mm×16mm)，如圖1所示。錨桿托板從框式托板(規(guī)格為350mm×120mm×40mm)，優(yōu)化為W鋼護(hù)板(規(guī)格為280mm×450mm×4mm)配合高強(qiáng)度可調(diào)心拱形錨桿托板(規(guī)格為150mm×150mm×10mm)，如圖2所示。

圖1 錨索構(gòu)件及結(jié)構(gòu)優(yōu)化

圖2 錨桿構(gòu)件及結(jié)構(gòu)優(yōu)化

3.4 高預(yù)緊力施工和檢測機(jī)具

高性能的巷道施工和檢測機(jī)具是實現(xiàn)錨桿錨索高預(yù)應(yīng)力的必要前提。通過配備高性能的巷道施工裝備，如扭矩倍增器、錨桿拉拔器、大功率錨索張拉機(jī)具、大量程扭矩扳手等新型施工和檢測工具，巷道施工工藝得到優(yōu)化升級，錨桿預(yù)緊力矩達(dá)到400N·m，對應(yīng)錨桿軸向預(yù)緊力約80kN，錨索預(yù)緊力可達(dá)250kN以上。

4 現(xiàn)場應(yīng)用

4.1 巷道地質(zhì)條件

試驗地點選擇新景礦15號煤層一采區(qū)15028工作面進(jìn)風(fēng)巷，15號煤層平均厚度為6.6m，巷道沿15號煤層底板布置，頂板由煤、石灰?guī)r和泥巖組成。巷道頂煤厚3.3m，頂煤強(qiáng)度17.0MPa，煤層松軟，破碎，裂隙發(fā)育，石灰?guī)r厚2.6m，強(qiáng)度為111.9MPa，泥巖厚1.6m，強(qiáng)度34.5MPa。巷道埋深500～600m，斷面為矩形，寬度5.2m，高度3.1m。

4.2 支護(hù)參數(shù)設(shè)計

巷道采用樹脂加長預(yù)應(yīng)力錨固支護(hù)。錨桿鋼號500，直徑20mm，長度2.4m。頂板采用W鋼帶與經(jīng)緯網(wǎng)護(hù)表，頂錨桿排距900mm，間距950mm。巷幫采用W 護(hù)板與菱形金屬網(wǎng)，每排3根錨桿，間距1100mm。錨桿預(yù)緊力矩設(shè)計400 N·m。錨索直徑17.8mm，長度6.3m，樹脂加長錨固。每排打2根錨索。錨索預(yù)緊力為250kN。錨桿支護(hù)布置如圖3所示。

4.3 支護(hù)效果及反饋

根據(jù)優(yōu)化后巷道支護(hù)設(shè)計進(jìn)行井下施工后，巷道支護(hù)效果明顯改善，巷道基本沒有發(fā)生離層和破壞，W鋼帶和W鋼護(hù)板緊貼煤壁，巷道圍巖完整，穩(wěn)定性較好，沒有出現(xiàn)錨桿和錨索破斷現(xiàn)象。礦壓監(jiān)測數(shù)據(jù)如圖4所示，采用新方案后錨桿錨索受力十分穩(wěn)定，巷道頂?shù)装遄冃瘟孔畲髢H61mm，兩幫變形34mm，相比較原方案巷道變形量降低70%，支護(hù)成本降低30%，巷道掘進(jìn)效率也明顯提高。同時，在巷道掘進(jìn)過程中，頂板斷裂聲音(煤炮聲)頻率明顯減少，巷道支護(hù)效果如圖5所示，取得較好的支護(hù)效果，礦方后續(xù)在類似條件的巷道進(jìn)行了推廣和應(yīng)用。

圖4 巷道表面位移觀測曲線

圖5 巷道支護(hù)效果

5 結(jié) 論

(1)新景礦通過提高錨桿強(qiáng)度(從Q235圓鋼錨桿優(yōu)化至500號螺紋鋼錨桿)，增加支護(hù)剛度(錨桿預(yù)緊力矩從150N·m增加至400N·m，錨索預(yù)緊力從150kN增加至250kN)，從原有被動支護(hù)改變?yōu)閺?qiáng)力主動支護(hù)，改善了巷道圍巖應(yīng)力狀態(tài)，提升了巷道支護(hù)效果。

(2)針對新景礦原有巷道支護(hù)材料進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整，推廣應(yīng)用新型支護(hù)材料，如：500號螺紋鋼錨桿，拱形錨桿錨索托板，加箍錨索及W鋼護(hù)板，提升支護(hù)材料力學(xué)性能和匹配性。

(3)針對陽煤集團(tuán)新景礦15號煤層巷道支護(hù)難題，通過分析現(xiàn)有巷道支護(hù)存在的問題，從巷道圍巖地質(zhì)力學(xué)測試、支護(hù)前期試驗與準(zhǔn)備、巷道支護(hù)材料、支護(hù)參數(shù)、施工工藝等環(huán)節(jié)進(jìn)行系統(tǒng)的優(yōu)化與調(diào)整，巷道變形量降低70%，支護(hù)成本降低30%，取得良好的巷道支護(hù)效果。

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[責(zé)任編輯：姜鵬飛]

2016-11-26

10.13532/j.cnki.cn11-3677/td.2017.03.015

許國勝(1964-)，男，河北井陘人，工程師，副總經(jīng)理，主要從事煤礦巷道支護(hù)管理與技術(shù)工作。

許國勝.新景礦厚煤層托頂煤巷道支護(hù)技術(shù)優(yōu)化及應(yīng)用[J].煤礦開采，2017，22(3)：49-51.

TD353

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1006-6225(2017)03-0049-03