隆安煤業(yè)11305工作面巷道支護(hù)技術(shù)研究

魏正茂

(1.山西煤炭運(yùn)銷集團(tuán)忻州有限公司，山西 忻州 034000；2.山西煤炭運(yùn)銷集團(tuán)科學(xué)技術(shù)研究有限公司，山西 太原 030006)

引 言

在河?xùn)|煤田忻州區(qū)域，11#上和11#下煤層，或11#和12#煤層為近距煤層，層間距范圍多為1.5 m～3.5 m，且上組煤和下組煤均為中厚煤層，煤層厚度小于1.8 m，礦井地質(zhì)條件和地質(zhì)力學(xué)性質(zhì)簡(jiǎn)單。工作面巷道支護(hù)采用礦井初步設(shè)計(jì)或經(jīng)驗(yàn)，導(dǎo)致工作面巷道支護(hù)過(guò)強(qiáng)或不夠，甚至巷道支護(hù)理念落后，支護(hù)優(yōu)化空間較大，支護(hù)優(yōu)化工作顯得尤為必要[1-4]。本文以隆安煤業(yè)11#下組煤層作為研究對(duì)象，對(duì)其地質(zhì)力學(xué)性質(zhì)進(jìn)行分析，并對(duì)比現(xiàn)有支護(hù)情況對(duì)其問(wèn)題進(jìn)行分析，以優(yōu)化其支護(hù)方式及參數(shù)。

1 11305工作面回風(fēng)順槽圍巖地質(zhì)條件

隆安煤業(yè)目前開(kāi)采8#煤層和11#煤層，8#煤層剩余資源不多，11#煤層為主采煤層。11#煤層分為2層，從目前巷道揭露情況看11#上組煤厚度1.2 m～1.7 m，11#下組煤厚度1.8 m～2.6 m；11#上組煤與11#下組煤平均層間距為2.0 m；11#下組煤厚度總體呈由東向西、由北向南逐漸變厚的趨勢(shì)。

11#下組煤北部為三采區(qū)大巷，南部為原廢棄民采平硐采空區(qū)，東部為實(shí)體煤，局部受采動(dòng)破壞，西部為11305工作面，11301工作面與11305工作面凈煤柱為30 m。11305工作面回風(fēng)順槽為11#煤層第二個(gè)工作面回風(fēng)順槽，設(shè)計(jì)走向長(zhǎng)度1 118 m，沿11#下組煤層頂板掘進(jìn)，地面標(biāo)高1 024 m～1 102 m，工作面標(biāo)高910 m～932 m，埋深90 m～170 m，地表起伏較大。圖1為工作面布置示意圖。

圖1 11305回風(fēng)順槽布置圖

煤巖層情況，11#下組煤，黑色，條帶狀結(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造，厚度1.61 m；直接頂為泥巖，泥質(zhì)結(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造，厚度1.84 m；之上為11#上組煤，黑色，條帶狀結(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造，厚度1.5 m；之上為泥巖，黑色，泥質(zhì)結(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造，厚度1.0 m；之上為粉砂巖，灰白色，粉砂質(zhì)結(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造，厚度3.95 m；之上為泥巖，黑色，泥質(zhì)結(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造，厚度6.72 m；之上為中砂巖，灰白色，中粒結(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造，厚度4.97 m。11#下組煤直接底為泥巖，泥質(zhì)結(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造，厚度2.68 m；之下為中砂巖，灰白色，中粒結(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造，厚度10.32 m。

構(gòu)造情況，11305工作面回風(fēng)順槽可能受斷層影響較多，該掘進(jìn)工作面無(wú)巖漿巖體侵入、陷落柱等其他地質(zhì)構(gòu)造。水文地質(zhì)情況，11305工作面回風(fēng)順槽正常涌水量50 m3/h～80 m3/h，最大涌水量180 m3/h。瓦斯情況，屬氮?dú)?沼氣帶。

對(duì)井下使用的錨桿進(jìn)行了拉拔試驗(yàn)，試驗(yàn)地點(diǎn)在11301工作面運(yùn)輸順槽，頂板進(jìn)行了3根錨桿拉拔試驗(yàn)，錨桿錨固力均能達(dá)到要求。

2 工作面地質(zhì)力學(xué)測(cè)試與分析

在11301工作面運(yùn)輸順槽距開(kāi)口150 m和200 m位置進(jìn)行了頂板7 m范圍內(nèi)的巖層結(jié)構(gòu)窺視和強(qiáng)度測(cè)試，同時(shí)，在200 m位置幫部進(jìn)行了煤體結(jié)構(gòu)窺視。

2.1 圍巖結(jié)構(gòu)觀察

由11301工作面運(yùn)輸順槽距開(kāi)口150 m頂板巖層窺視結(jié)果可知，頂板0 m～2 m為砂質(zhì)泥巖，完整性較好；2.0 m～3.7 m為11#上組煤，完整性較好；3.8 m～6.1 m為砂質(zhì)泥巖，在4.9 m處有裂隙，其余位置完整性較好，局部含有泥巖夾層。

由11301工作面運(yùn)輸順槽距開(kāi)口200 m頂板巖層窺視結(jié)果可知，頂板0 m～1.4 m為砂質(zhì)泥巖，完整性較好；1.4 m～3.1 m為11#上組煤，完整性較好；3.1 m～7.0 m為砂質(zhì)泥巖，巖層整體較完整，在5.0 m處有裂隙，局部含有泥巖夾層。

由11301工作面運(yùn)輸順槽距開(kāi)口200 m幫部煤體窺視結(jié)果可知，煤幫0.3 m處有橫向裂隙；1.0 m～1.4 m處有縱向裂隙；1.6 m～3.0 m煤層完整；3.1 m～4.6 m為泥巖，幫部煤體整體完整性較好。

對(duì)上述鉆孔窺視進(jìn)行分析，窺視結(jié)果與礦上提供的柱狀圖有差別，以現(xiàn)場(chǎng)窺視結(jié)果為主要依據(jù)；11301工作面運(yùn)輸順槽距開(kāi)口150 m和200 m處頂板窺視結(jié)果有所差別，在150 m處的窺視結(jié)果中，5.3 m～5.8 m處有明顯的泥巖夾層，而在200 m處窺視結(jié)果則沒(méi)有，說(shuō)明頂板巖層條件變化較大；11#下組煤直接頂為砂質(zhì)泥巖，完整性好，在支護(hù)范圍基本沒(méi)有裂隙，有利于錨桿、錨索預(yù)緊力和支護(hù)阻力擴(kuò)散，且厚度在2 m左右，建議錨桿長(zhǎng)度選擇2.4 m，錨索長(zhǎng)度選擇5.3 m。

2.2 圍巖強(qiáng)度測(cè)試

采用WQCZ-56型圍巖強(qiáng)度測(cè)試裝置在頂板鉆孔內(nèi)進(jìn)行了6.1 m范圍煤巖層的強(qiáng)度測(cè)試，在幫部鉆孔進(jìn)行了強(qiáng)度測(cè)試。頂板圍巖強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果為頂板0 m～2 m為砂質(zhì)泥巖，強(qiáng)度平均值為90.61 MPa；2.1 m～3.7 m為11#上組煤，強(qiáng)度平均值為22.10 MPa；3.8 m～6.1 m為砂質(zhì)泥巖，平均強(qiáng)度值為83.92 MPa。煤幫強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果為11#下組煤，平均強(qiáng)度值為19.02 MPa。

從頂板巖層強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果可以看出，11#下組煤直接頂砂質(zhì)泥巖，強(qiáng)度為90.61 MPa，有利于錨桿預(yù)緊力和支護(hù)阻力的擴(kuò)散，結(jié)合圍巖窺視結(jié)果分析，該巖層自身承載能力好，有利于保持巷道頂板穩(wěn)定；11#下組煤煤體強(qiáng)度較高，為19.02 MPa，易保持巷道幫部穩(wěn)定。

3 現(xiàn)有支護(hù)情況及問(wèn)題分析

3.1 當(dāng)前支護(hù)情況

以與11305工作面回風(fēng)順槽相似的11301工作面回風(fēng)順槽為例，說(shuō)明巷道的支護(hù)情況，該巷道寬度4.5 m，高度2.6 m。圖2為11301工作面回風(fēng)順槽支護(hù)示意圖。

圖2 11301工作面回風(fēng)順槽支護(hù)圖(mm)

從圖2中可以看出，頂錨桿間排距為1 100 mm×1 000 mm，每排4根，中部2根錨桿垂直于頂板施工，邊角頂錨桿與頂板呈80°角；選用20 mm×2 200 mm圓鋼錨桿，1個(gè)CK2360錨固劑；托盤(pán)選用150 mm×150 mm×8 mm拱形高強(qiáng)度托盤(pán)；頂板錨桿的扭矩不小于100 N·m；錨索選用15.24 mm×7 000 mm七股鋼絞線，二二布置，間排距為1 800 mm×2 000 mm；3個(gè)錨固劑，1個(gè)CK2360，2個(gè)K2360；采用300 mm×300 mm×14 mm高強(qiáng)度托盤(pán)，錨索預(yù)緊力不小于100 kN。非回采側(cè)幫圓鋼錨桿，16 mm×1 200 mm；回采側(cè)幫玻璃鋼錨桿，20 mm×2 200 mm，圓鋼錨桿預(yù)緊力矩不低于80 N·m；頂部選用6.0 mm單層鋼筋金屬平焊網(wǎng)，幫部不鋪網(wǎng)。

3.2 支護(hù)存在的問(wèn)題

1) 支護(hù)材料方面，頂板采用20 mm×2 200 mm圓鋼錨桿，承載能力119.4 kN；錨桿托板，錨桿配套150 mm×150 mm×8 mm方形帶拱托板，不配套調(diào)心球墊和減摩墊片，托板的拱形高度設(shè)計(jì)偏低，試驗(yàn)得出托板承載能力在92 kN～99 kN，與直徑20 mm圓鋼錨桿強(qiáng)度不配套；不配套調(diào)心球墊和減摩墊片，預(yù)緊扭矩與預(yù)緊力轉(zhuǎn)化系數(shù)低，錨桿主動(dòng)支護(hù)能力差，當(dāng)錨桿與巷道圍巖表面不垂直時(shí)，容易被托板口卡??；錨索托板，錨索配套300 mm×300 mm×14 mm方形平托板，該托板存在明顯的弊端，托板為平鋼板，承載力差，應(yīng)改為拱形托板，提高托板承載能力；托板孔小，無(wú)法與調(diào)心球墊配套，當(dāng)錨索施工質(zhì)量差，與頂板不垂直時(shí)，托板容易剪切錨索。

2) 技術(shù)參數(shù)方面，頂板錨桿預(yù)緊力矩不小于100 N·m，頂板預(yù)應(yīng)力水平相對(duì)較低。由于頂板條件好，且巷道為實(shí)體煤巷道，不受采動(dòng)影響，巷道基本沒(méi)有變形，錨桿預(yù)緊力小、主動(dòng)支護(hù)效果差的缺點(diǎn)沒(méi)有暴露，當(dāng)巷道地質(zhì)條件變化支護(hù)困難時(shí)，如果不提高錨桿預(yù)緊力，錨桿布置參數(shù)相同時(shí)巷道支護(hù)效果將有明顯差別；頂板角錨桿沒(méi)有垂直頂板打設(shè)，與鉛錘線有10°～15°夾角，導(dǎo)致頂板角錨桿形成的預(yù)應(yīng)力場(chǎng)和中部錨桿形成的預(yù)應(yīng)力場(chǎng)相分離。

3) 施工機(jī)具和礦壓監(jiān)測(cè)方面，錨索張拉采用手動(dòng)張拉機(jī)具；錨桿沒(méi)有專門風(fēng)動(dòng)或液壓預(yù)緊機(jī)具，導(dǎo)致錨桿預(yù)緊力矩低；沒(méi)有系統(tǒng)地進(jìn)行過(guò)錨桿、錨索受力測(cè)量，不清楚錨桿、錨索的工作狀態(tài)。

4 11305工作面巷道支護(hù)

以11305工作面回風(fēng)順槽為例，說(shuō)明11305工作面巷道支護(hù)方式。11305工作面回風(fēng)順槽矩形斷面，沿11#下組煤頂板掘進(jìn)，掘進(jìn)寬度4.5 m，高度2.6 m，掘進(jìn)斷面積為11.7 m2。

頂板支護(hù)，錨桿18 mm左旋無(wú)縱筋螺紋鋼筋，長(zhǎng)度2 400 mm，螺紋長(zhǎng)度120 mm～150 mm，桿尾螺紋為M20；樹(shù)脂加長(zhǎng)錨固，1支CK2360樹(shù)脂藥卷，28鉆頭；高強(qiáng)錨桿螺母M20，方形帶拱托板，配套調(diào)心球墊和1010尼龍墊圈，150 mm×150 mm×8 mm；6.0 mm鋼筋網(wǎng)護(hù)頂，4 500 mm×1 200 mm；錨桿排距1 100 mm，每排4根錨桿，間距1 100 mm；錨桿預(yù)緊扭矩不低于200 N·m，但不能超過(guò)400 N·m；錨桿全部垂直頂板安裝，考慮到施工需要，允許有5°誤差。錨索17.8 mm，長(zhǎng)度5 300 mm，28鉆頭，3支樹(shù)脂藥卷，2支K2360，1支CK2360；300 mm×300 mm×14 mm方形帶拱錨索托板，配套調(diào)心球墊。承載能力不低于400 kN，托板拱高不低于60 mm；二一布置，排距2 200 mm，錨索初始張拉力200 kN。

非工作面?zhèn)葞?，錨桿16 mm圓鋼錨桿，長(zhǎng)度1 200 mm，1支K2360樹(shù)脂藥卷；方形帶拱托板，配套調(diào)心球墊和1010尼龍墊圈，150 mm×150 mm×8 mm；預(yù)緊扭矩80 N·m。

工作面?zhèn)葞?，錨桿20 mm，長(zhǎng)度2 200 mm，玻璃鋼錨桿，1支K2360樹(shù)脂藥卷，預(yù)緊力矩40 N·m。

5 結(jié)論

當(dāng)近距離煤層厚度小于2 m，巷道圍巖地質(zhì)力學(xué)性質(zhì)比較簡(jiǎn)單時(shí)，巷道支護(hù)方式表現(xiàn)為支護(hù)強(qiáng)度較大，另一種表現(xiàn)為支護(hù)強(qiáng)度不夠。本文以隆安煤業(yè)11301和11305工作面為例，11301工作面巷道支護(hù)方式相對(duì)落后，存在相當(dāng)大的優(yōu)化空間，從支護(hù)材料、支護(hù)方式、組合構(gòu)件、預(yù)緊力等方面對(duì)11305工作面巷道進(jìn)行了優(yōu)化，充分發(fā)揮了錨網(wǎng)主動(dòng)的支護(hù)作用，確定了隆安煤業(yè)相對(duì)合理的巷道支護(hù)方式。該研究對(duì)推動(dòng)隆安煤業(yè)巷道支護(hù)技術(shù)的發(fā)展具有積極的作用。