關中複雜地質條件下回采巷道設計及支護的論證研究

關中複雜地質條件下回采巷道設計及支護的論證研究

田海山 吝鵬濤

（陝西澄合山陽煤礦有限公司，陝西 合陽 715300）

摘 要：為提高關中地區複雜地質條件下巷道設計的安全性、穩定性和節約性，本文以渭北地區山陽煤礦公司地質條件為基礎，就1501工作麵運用的傳統錨網索+U型棚支護和1502工作麵采用的錨網索支護工藝進行了比較論證研究，得出了一套普遍適用於關中複雜地質條件下的巷道設計及支護方案，值得在煤礦企業進行廣泛推廣。

關鍵詞：回采巷道 錨杆支護 自動化

0 引言

隨著當前社會經濟的發展速度不斷加快，我國相關行業發展對煤礦資源的需求量不斷上漲，使得煤礦的產量及開采效率需要不斷提高。而煤礦巷道支護技術的發展為煤礦工程的安全性及穩固性提供了重要保障，隨著技術的連年改進，巷道支護由最初的木支護發展到砌镟支護，而後發展至U型鋼和錨杆支護。受煤礦地域原因的影響，不同的地質條件下需要采用不同的設計和支護工藝，而探索研究一種適應自身地質條件的巷道設計方案和支護工藝已然成為充分保證煤礦開采工作安全和效率的“定海神針”。本文重點針對山陽煤礦公司在開采工作中，兩條回采巷道采用的截然不同的支護方式進行了辯證03manbetx ，得出了適用於整個關中地區複雜地質條件下的礦井最佳巷道設計和支護方式。

1井田概況與工程背景

1.1山陽煤礦公司井田概況

(1)位置：

山陽煤礦籌建於2009年8月，井田位於陝西省渭北石炭二疊紀煤田澄合礦區中深部，行政區劃隸屬合陽縣王村鎮、城關鎮、防擄寨鄉及甘井鎮管轄。井田東西長12.2～13.2km，南北寬4.5～6.8km，麵積80.517km²。礦井地質儲量3.98億噸，可采儲量為2.43億噸，礦井年設計生產能力為300萬噸/年，服務年限60.1年。

(2)地質構造：

本井田地質構造中等，可采煤層埋藏深度大，礦井直接充水含水層為煤係上覆地層各砂岩裂隙含水岩層，其補給條件較差，富水性一般都很弱，對煤層開采無較大影響。

(3)水文條件：

煤係沉積基底奧陶係灰岩，含水空間以溶蝕裂隙為主，富水性具有明顯的不均一性，且岩溶水連通性良好，具有區域性的水位標高+380.00m。水頭壓力大，主要可采煤層均處於+380.00m以下，由於太原組下部岩層隔水性能不穩定，奧灰水將對煤層開采造成很大威脅。根據《礦區水文地質工程地質勘探規範》（GB12719－91）及《煤、泥炭地質勘查規範》中有關規定，其水文地質勘探類型為三類（第一亞類）三型，屬以岩溶裂隙為主、底板間接充水的水文地質條件複雜的岩溶充水礦床。

1.2工程背景

(1)煤層特征：

井田內含基本全區可采煤層一層，為山西組的5號煤，底板標高為-150～+370m，厚度為0.40～10.54m，一般厚度2～4.50m，平均3.78m，厚度由西向東有規律的增大，煤層傾角3～8°，結構較簡單，、開采厚度大部分在4.00m以下，煤層結構中等，多含1～2層夾矸，岩性多為泥岩、炭質泥岩、砂質泥岩，屬較穩定煤層。4號煤層為大部可采煤層底板標高-145～+375m，厚度為0～4.35m，平均厚度1.19m；6號煤層底板標高 -153～+360m，厚度0～2.25m，平均0.86m。6號煤為局部可采的不穩定煤層。

本井田主要可采煤層5號、4號煤層賦存穩定，井田資源量豐富(555.15Mt)，開采技術條件較優越，適宜綜合機械化開采。

(2)頂底板岩性特征：

5號煤基本頂以塊狀灰色淺灰色中、細粒砂岩砂岩為主，有時相變為粉細砂岩或粉砂岩，岩性較堅便，厚層狀，幹燥狀態下樂強度3180－5700平均4500，屬中等穩定的不易垮落頂板，直接頂板分泥岩或粉砂岩和砂岩兩類，以泥岩或粉砂岩為主。屬於中等穩定易冒落頂板，5號煤層底板多為砂質泥岩，少量的粉細砂岩，底板屬於中等偏軟，穩定性較差。

圖1：山陽煤礦公司岩層柱狀圖

2.關中地區複雜地址條件下使用架棚支護工藝的現狀（以1501工作麵為例）

2.1 1501工作麵順槽支護形式

2.1.1巷道斷麵及支護形式

斷麵設計為半圓拱，掘進支護形式：采用錨網索+29U型鋼聯合支護。

表1 巷道斷麵

支護 形式	斷麵積（m²）		掘進尺寸（mm）
	掘	淨	寬	高
錨網索+29U型鋼	16.7	13.6	4600	3900

2.1.2支護說明

（1）臨時支護

架設U型鋼支架前臨時支護采用前探梁支護，前探支護采用三根不小於4m長π型鋼梁，每一根鋼梁用兩個吊環卡在棚梁上，兩個卡子距離2-3m，三根前探支護按照巷道中線對稱布置，間距不小於1m。前探梁到迎頭端麵距離不超過200mm,吊環與前探梁之間要用木楔楔緊。

（2）永久支護

①29U型鋼支架：采用一梁兩柱搭接形式，梁長6471mm，柱腿長2747mm，梁腿搭接長度為450mm。

②棚與棚之間用5道拉杆連接，棚距800mm，拉杆用扁鋼（Q235，GB704-88）製成，長1100mm，寬100mm，厚10mm。

③梁腿用U型卡纜連接，U型卡纜為29U雙槽型夾板式卡纜，卡纜杆用Φ22mm圓鋼（Q235，GB702-86）製成，長610mm，卡纜間距為350mm，卡纜螺母（Q235，M24，GB/T6170-2000）力矩不小於140N·M。

④U型支架柱腿底座（Q235，250×250×10mm）栽在實底上，且柱窩深度不小於320mm。

⑤背幫頂使用木板皮，規格1200×150×50mm。雙道交叉布置。

⑥架棚支護滯後迎頭不得超過5m。

圖2：1501工作麵斷麵支護圖

2.2 在1501工作麵采用錨網索+U型棚進行支護後存在的問題

(1)成本發麵：在支護掘進過程不僅增加工人勞動強度、井下運輸壓力，還大大增加了生產成本。工作麵回采過程中，需要職工回收U型棚，增加施工工序及勞動強度。U型棚每架3800元，排距按800mm計算，掘進延米成本增加超過5000元，1501工作麵設計長度為2347m,總成本增加約1200萬元。

(2)安全方麵：在架棚支護過程中，工人由於登高作業，增加了作業強度與難度，加之U型棚較重，達到29公斤/米，工人架棚操作危險係數增加；1501工作麵在回采過程中，頂部板皮腐化後，工作麵兩順槽出現多處吊包、漏頂，危害職工生命安全。(3)礦山自動化推廣方麵：直牆半圓拱斷麵不利於端頭支架支護；巷道斷麵過小不利於下一步推廣自動化采煤，提高產量；U型棚支護需要職工回收棚梁，不利於自動化發展。

針對以上出現的三方麵問題，礦井成立了專業技術團隊進行了03manbetx 解決，通過簡曆模型、數據推算、反複驗證，探索出了錨杆+錨索+網片的巷道支護方式，並在1502工作麵進行了試點實施，取得了良好的效果。

3 1502工作麵錨杆+錨索+網片支護方式的探索

3.1 1502工作麵巷道斷麵的設計

3.1.1巷道形狀設計

我國煤礦井下使用的巷道斷麵形狀，按其輪廓線構成可分為折線形和曲線形兩大類。前者如矩形、梯形、不規則形，後者如半圓拱形、圓弧拱形、橢圓形等。一般情況下，作用在巷道上的地壓大小和方向，在選擇巷道斷麵形狀時起主要作用。當頂壓和側壓均不大時，可選用矩形或梯形，當頂壓較大、側壓較小時則應選用直牆拱形斷麵（半圓拱形），當頂壓、側壓都大同時底鼓嚴重時，應采用橢圓形等。巷道的用途和服務年限也是選擇巷道斷麵形狀的重要考慮因素。服務年限長達幾十年的開拓巷道，采用磚石、混凝土和錨噴支護的采用拱形斷麵較為有利；服務年限10年左右的準備巷道多采用梯形斷麵或采用錨噴支護的拱形斷麵；服務年限短的回采巷道多采用梯形斷麵。

根據山陽煤礦地質資料顯示，井田範圍內側壓較小，岩層水平應力較小，5號煤頂板較為穩定，回采巷道服務年限一般在2-3年之內，結合自動化采煤工作麵要求，超前支護采用超前支架，宜采用梯形斷麵形狀。

3.1.2巷道尺寸的確定

礦山自動化是當今煤炭行業的主流發展趨勢，為了適應自動化綜采設備應用的需要，在巷道的設計上要遵循以下方式：

自動化綜采設備采用軌道運輸方式，綜采支架最大支撐高度為4200mm，最低高度2600mm。回采巷道采用錨網索支護，錨索外露長度最小為150mm。綜采設備集中布置，一側需設置轉載機和膠帶輸送機，另一側設置泵站及移動變電站等。為保證行人安全，將人行通道設置在煤柱側，不得小於800mm；采煤機滾筒需將全切眼割通，滾筒直徑2200mm，截割結束將超出煤壁1100mm；膠帶輸送機選用1.2m膠帶，占用巷道1400mm，膠帶輸送機距煤壁預留檢修距離500mm；軌道距煤柱安全距離800mm，軌距900mm，軌道與膠帶輸送機安全距離500mm。

綜合考慮確定回采巷道尺寸為：上寬4800mm，下寬5000mm，高3700mm。

3.2最優支護方案的選擇及參數確認

3.2.1支護形式的選擇

國內外現場對比試驗表明，在同一條件下錨杆支護與剛性金屬支架支護比較，巷道圍岩移近量減少一半左右。傳統的錨杆支護理論都是以一定假說為基礎，從不同角度、不同條件闡述錨杆支護的作用機理，其力學模型簡單，計算方法簡捷，適用不同的圍岩條件。近年來錨杆支護理論研究有了進一步發展，進一步揭示了錨杆支護的實質，錨杆支護也成為業內的主流方式，成為業內的潮流。

基於錨杆支護的以上優勢，加之山陽煤礦大力啟動自動化采煤技術及設備，為了便於綜采工作麵回收，公司決定在1502工作麵選擇錨杆支護形式。

3.2.2最優參數的計算與確認

山陽煤礦公司錨杆支護采用黏結式等強螺紋鋼錨杆，錨索采用9.3m鋼絞線，托板采用Q235凸形鋼托板、M形托板。凸形托板在壓平過程中允許圍岩有較大的變形而不喪失錨固力且承載力較高，M形托板安裝時易於緊貼岩麵，圍岩變形時與圍岩形成一體，適用於頂板裂隙比較發育的條件。

根據懸吊理論、組合梁理論計算，設計錨杆、錨索布置形式：

A錨杆

①長度計算

錨杆的長度L=N（1.1+5/10）

式中　　

Ｂ——巷道跨度（ｍ）Ｂ＝5。

Ｎ――圍岩穩定係數Ｎ＝１.0

L=1.0×（1.1+5/10）

=1.6m。

巷道掘進根據地質提供資料03manbetx 、巷道設計在穩定岩層，巷道支護錨杆選擇2.4m符合安全支護要求。

②間距計算

錨杆的間距D=0.6×L

=0.6×1.6

=0.96m

因此，巷道支護錨杆間、排距選擇0.8m小於計算支護參數符合安全支護要求。

③錨杆直徑

錨杆直徑d=1×L/110

d=1×1600/110

=14.55mm

錨杆直徑選擇20mm大於理論計算參數，符合安全支護要求。

B錨索

①長度計算

按懸吊理論校核錨索長度：L=La+Lb+Lc+Ld=1.5+4+0.2+

0.25=5.95m

式中：La—錨索深入到穩定岩層的錨固長度，取1.5m；

Lb—需要懸吊的不穩定岩層厚度，取4m；

Lc—上托盤及錨具的厚度，取0.2m；

Ld—需要外露的張拉長度，取0.25m。

設計所選用的錨索長度為9.3m，符合要求。

②間排距計算

根據巷道設計和現有地質資料03manbetx ,為防止巷道頂岩層發生大麵積整體垮落，施工中錨索使用φ18.9mm的鋼絞線，錨索的長度為9.3m。用錨索將錨杆加固的“組合梁”整體懸吊於堅硬岩層中，校核錨索間距，冒落方式按嚴重的冒落高度考慮。此時靠巷道兩幫的角錨杆以及垂直頂板的頂錨和錨索一起發揮懸吊作用，在忽略岩體粘結力和內摩擦力的條件下，取垂直方向力的平衡，可用下式計算錨索間排距。

L=nF2/[BHγ-（2F1sinθ）/L1]

式中：

L--錨索間排距，m； B--巷道最大冒落寬度，5.2m；

H--巷道最大冒落高度，按最嚴重冒落高度取5m；

γ--岩體容重，19.992KN/m3； L1--錨杆排距，0.8m；

F1--錨杆錨固力，105KN； F2--錨索極限承載力，230KN；

θ--角錨杆與巷道頂板的夾角，75°； n--錨索排數，取2；

L =2×230/[5.2×4×19.992-（2×105×sin75°）/0.8]=2.83m

根據以上計算錨索間排距必須小於2.83m，設計采用的錨索間排距為：1.6m,符合設計要求。

圖3：1502工作麵斷麵支護圖

C網片

①網片類型優缺點分析

網片主要用來維護錨杆間的圍岩，防止小塊鬆散岩石掉落，被錨杆拉緊的網還能起到聯係各錨杆組成支護整體的作用。網片負擔的鬆散岩石的荷載主要取決於錨杆間距大小。常用於錨網支護的網片有鐵絲網、鋼筋網和塑料網等。它們分別有以下優缺點，應根據現場實際情況進行選擇：

鐵絲網——強度高、聯接方便，但易於隨圍岩變化而變形。

鋼筋網——強度和剛度都比較大，不僅能阻止鬆動岩塊掉落，而且能有效地增加錨杆支護的整體效果，適用於大變形、高應力巷道支護。

塑料網——成本低、輕便、抗腐蝕，但其強度和剛度較低。

②針對不同圍岩變形量網片的選擇

山陽煤礦巷道支護的研究實踐過程中經曆了幾次大的變化，主要體現在網片的選擇上，分為以下幾個階段：

——掘進巷道全斷麵采用鋼筋網。鋼筋網由Φ6.5圓鋼焊接而成，規格為1000×2000mm，網格為100×100mm。圍岩變形量較大，巷道掘進施工過程中需要不斷返修。幫部采用鋼筋網，職工施工難度較大，不易於聯網，幫部出現垮幫情況時，錨杆不能緊貼岩麵，支護強度不能達到設計要求。

——掘進巷道全斷麵采用鋼筋網+鐵絲網聯合使用。鋼筋網規格同上，鐵絲網采用10#鐵絲編織的菱形網，規格4200×900mm，網孔50×50mm。圍岩變形量較小，但幫部使用鋼筋網同樣施工難度大，鋼筋網與鐵絲網需要提前連接在一起，增大了職工勞動強度，增加了區隊人力成本。

——掘進巷道頂部采用鋼筋網+鐵絲網聯合使用，幫部采用雙層鐵絲網聯合支護。網片規格同上。幫部圍岩變形量較大，鐵絲網剛度較低，隨圍岩變化而變形，巷道掘進施工過程中返修率較高。

——掘進巷道全斷麵采用鋼筋網+塑鋼網聯合使用。塑鋼網規格為1000×2000mm，網孔為50×50mm。與前3種網片選擇相比，材料輕便，網片強度和剛度都較好，圍岩變形量較小。同時塑鋼網的使用大大避免了巷道長時間裸露情況下網片腐蝕的情況。

根據對理論知識的理解和現場不斷的試驗並總結經驗，山陽煤礦最終確定采用第4條網片選擇方案，進一步加強了對巷道圍岩的控製，同時大大減小了工人的勞動強度，為後續山陽煤礦提高掘進單進水平打下了堅實的基礎。

4最優方案的實施效果及推廣價值

（1）成本發麵：減少了工作麵架棚支護的材料費用，延米減少近5000元；工作麵掘進施工和回采過程中不用在組織架棚、拆棚，材料運輸的壓力得到有效釋放，工人的勞動強度大大降低，巷道掘進回采的用工量大大減少，工作麵掘進和回采過程工效更高。

（2）安全方麵：采用錨網索進行支護有效減少了頂板下沉量，頂板相對穩定，幫部移近量變小，圍岩變形得到有效控製；在使用網片後，工作麵漏頂、垮幫02manbetx.com 大幅度降低，安全係數得到有效提升，保障了工人在作業現場的安全生產。

（2）推廣方麵：使用梯形斷麵設計，有效擴寬了斷麵高度和寬度，斷麵麵積大大增加，更加有利於礦山自動化設備的使用，其降低成本、提升安全係數的優勢值得在關中地區複雜地質條件下廣泛應用。

5結語

本文通過對山陽煤礦公司1501、1502工作麵巷道設計與支護工藝的比較論證，得出了錨杆+錨索+網片支護更加有利於關中地區複雜地質條件下巷道的支護設計，這對煤礦安全有一定的指導作用，其提高工效、降低成本、增強安全係數等優勢具有大規模推廣的價值。

參考文獻：

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[2] 東兆星等編.井巷工程.徐州：中國礦業大學出版社，2004

[3] 錢鳴高，石平五，徐家林主編。礦山壓力與岩層控製.徐州：中國礦業大學出版社，2010