煤礦軟巖巷道支護技術優(yōu)化應用研究

谷 鵬

（沁和能源集團有限公司永安煤礦，山西 晉城 048204）

1 永安煤礦11404 工作面工程概況

沁和能源集團有限公司永安煤礦位于山西省晉城市沁水縣嘉峰鎮(zhèn)，礦井面積為12.207 9 km2，設計生產能力60 萬t/年，批準開采3 號煤層，斜井開拓，開采水平+540 m。11404 工作面主采3 號煤層，工作面朝向近似東西向，傾向北，傾角在2°～5°，煤層平均厚度4.35 m。5 號煤層普氏系數(shù)為0.83%，屬于軟煤。砂質泥巖、炭質泥巖雖為厚層狀，V 級結構面罕見，易風解，屬不穩(wěn)定類圍巖。由于地應力復雜多變，地質條件變化不斷，因此優(yōu)化支護參數(shù)，確保安全、有效的巷道安全支護技術至關重要[1-2]。

2 低強度支護階段支護技術的優(yōu)化

2.1 原支護技術分析

開采初期，永安煤礦巷道支護按照工程類比法參照相鄰礦井的支護參數(shù)進行巷道支護設計。永安煤礦11404 工作面順槽巷道支護采用錨網(wǎng)、索、噴支護形式，頂板錨桿采用Φ20 mm×2 000 mm BHRB335 左旋螺紋鋼錨桿；巷幫錨桿采用Φ35 mm×1 600 mm 的竹錨桿；錨桿間排距均為800 mm、800 mm，鋼筋梯采用Φ14 mm 的圓鋼雙排焊接；頂板均掛設Φ65 mm 圓鋼焊接的鋼筋網(wǎng)，頂板沿巷道中心線左右均勻布置排兩根間距為2 000 mm、排距為2 400 mm 單點錨索，錨索采用Φ15.5 mm×7 000 mm預應力鋼絞線，托梁用14 號槽鋼加工，長400 mm，錨索外端使用鎖具鎖固。噴射混凝土厚度為50 mm，強度為C20。

2.2 原支護方式存在的問題

施工過程中發(fā)現(xiàn)Φ35 mm×1 600 mm 竹錨桿不能有效控制巷幫，巷道易片幫。14 號槽鋼錨索托梁強度低，頂板下沉時將索托梁兩頭向下壓彎折回、脫落，造成錨索失效。由于初期巷道幫錨桿對巷道幫部、錨索對頂板控制效果不好，施工過程中由于局部錨索導通5 號煤頂板含水層，造成錨索出水。為了避免巷道頂板出水，多次將錨索長度由7 m 變?yōu)? m，使錨索錨固不到堅硬巖層，影響錨索支護強度。

由于以上原因使順槽巷道在掘進施工過程中頻繁發(fā)生片幫、冒頂事故，11404 工作面三條順槽巷道共發(fā)生7 次冒頂事故。其中在2020 年6 月15 日，11404 工作面皮帶運輸巷1 320～1 334 m 段發(fā)生大面積的冒頂，冒頂范圍寬度約4.8 m，高度4～7 m，長度約14 m。同時，掘進過程中期及后期巷道維護工程量巨大，11404 工作面三條順槽巷道共架設2 400 多架工字鋼棚。

2.3 支護參數(shù)的優(yōu)化改進

針對掘進工程中巷道出現(xiàn)的片幫、冒頂事故，幫部錨桿竹錨桿對巷道幫部控制效果差，14 號槽鋼錨索托梁強度不夠等問題，同時對2020 年6 月15 日11404 工作面皮帶運輸巷大面積的冒頂事故原因進行了認真分析總結。主要原因如下：

1）5 號煤煤層平均厚度7.88 m，巷道開挖后頂板煤層剩余4.6 m，泥巖厚2～3 m，施工過程中由于錨索有導水現(xiàn)象，為了避免巷道頂板出水，將錨索由7 m變?yōu)? m，造成錨索錨固不到頂板堅硬巖層或鐳固到堅硬巖層深度小于1 m，起不到懸吊作用。

2）巷道頂板有淋水，造成頂板炭質泥巖泥化、脫落。

針對以上原因，該礦研究決定將11404 工作面順槽巷道錨、網(wǎng)、索支護形式變更為錨、網(wǎng)、絎架支護形式，將頂板錨桿加長500 mm，頂板錨桿采用Φ20 mm×2 500 mmBHRB335 左旋螺紋鋼錨桿；巷幫采用Φ16 mm×1 600 mm 的圓鋼錨桿；錨桿間排距為800 mm、800 mm。鋼筋梯采用Φ16 mm 的圓鋼雙排焊接；頂板均掛設Φ6.5 mm 圓鋼焊接的鋼筋網(wǎng)，巷道幫部掛8 號鉛絲編制的菱形金屬網(wǎng)；頂板沿巷道中心線左右均勻布置一排兩根間距為2 000 mm、排距為2 400 mm 錨索絎架，錨索采用Φ17.8 mm×8 000 mm 預應力鋼絞線，托梁用11 號礦用工字鋼加工，長2 500 mm，錨索外端使用鎖具鎖固。

隨著開采深度增加，Φ16 mm×1 600 mm 的圓鋼錨桿已經不能滿足巷道幫部支護要求。2020 年10月，將巷道幫部錨桿更換為Φ20 mm×2 000 mm BHRB335 左旋螺紋鋼錨桿加強巷道幫部支護。并通過實驗確定了Φ20 mm×2 500 mmBHRB335 左旋螺紋鋼錨桿安裝預緊力不小于300 N/m，Φ20 mm×2 000 mmBHRB335 左旋螺紋鋼錨桿安裝預緊力不小于200 N/m。

2.4 支護方式改進后取得的效果

在11404 工作面巷道低強度支護階段，對原支護方式及參數(shù)進行優(yōu)化改進后，在一定程度上對巷道幫部起到了支護效果，優(yōu)化改進后巷道在掘進施工過程中幾乎沒有發(fā)生過片幫、冒頂事故，有效保障了巷道開采安全。

3 高強度錨桿支護階段的支護技術優(yōu)化

巷道在低強度支護階段，支護方式優(yōu)化改進后在一定程度上杜絕了片幫、冒頂事故的發(fā)生。但是巷道受二次動壓影響巷道頂板下沉、底板鼓起、兩幫收斂現(xiàn)象依然嚴重。比如11404 工作面輔助運輸巷錨索托梁兩頭向下壓彎折回、脫落，造成錨索失效，并受11404、81505 綜放工作面兩次采動影響巷道頂板下沉、底板鼓起、兩幫收斂，失修率高。為了確保巷道安全使用，2020 年10 月—2021 年2 月先后采用架設工字鋼棚、一梁三柱、木垛、起底等方式進行了三次全面維修，投入較大，但效果均不甚理想。為了解決受二次動壓影響下的巷道支護難題，通過地應力測試、鉆孔窺視等方式進一步優(yōu)化巷道支護參數(shù)，提高復雜困難煤巷支護質量。

3.1 支護技術優(yōu)化方案

為了更加合理地確定11404 工作面巷道支護參數(shù)，利用地質力學測試數(shù)據(jù)及鉆孔窺視情況，對支護參數(shù)采取了懸吊理論進行了計算校核[3]。

11404 工作面順槽巷道采用錨、網(wǎng)、索高強支護形式，頂板錨桿采用22#-M24-2500BHR500 高強左旋無縱肋螺紋鋼錨桿，間排距850 mm、900 mm；巷幫采用20#-M22-2000BH1500 高強左旋無縱肋螺紋鋼錨桿，間排距800 mm、900 mm；鋼帶采用W280×5 型W 鋼帶；頂板掛設Φ6.5 mm 圓鋼焊接的鋼筋網(wǎng)，巷幫掛設8 號鉛絲編制的菱形金屬網(wǎng)：頂板均勻布置間排距為1 800 mm、1 800 mm 單點錨索，錨索采用Φ21.98 mm、8 300 mm 預應力鋼絞線，錨索托板為300 mm×300 mm×16 mm 高強錳鋼托板。

3.2 改進支護參數(shù)后的支護效果

使用了高強支護參數(shù)后，巷道成型明顯改觀，巷道沒有發(fā)生過片幫、冒頂事故，道頂板下沉兩幫收斂都在可控范圍內。但在使用過程中發(fā)現(xiàn)300 mm×300 mm×16 mm 高強錳鋼錨索托板對巷道頂幫控制效果不住，易出現(xiàn)錨索之間掉包現(xiàn)象，單點錨索對巷道頂板整體控制效果差。為此，將單點錨索變更為錨索架，架梁采用11 號礦用工字鋼加工。單點錨索變更為錨索架后，巷道支護質量明顯提高。

4 結語

高地應力軟巖地質構造對煤礦巷道支護技術要求很高，隨著開采深度不斷增加，軟巖巷道受動壓影響礦壓顯現(xiàn)十分劇烈，因此會造成工作面巷道支護困難。以永安煤礦11404 工作面為案例進行了軟巖巷道支護技術優(yōu)化應用研究，實踐應用效果理想，形成了一套安全、高效、節(jié)約的支護參數(shù)，為礦井安全生產保駕護航。