燕子山矿石炭系巷道支护优化设计

　总第２４５期燕子山矿石炭系巷道支护优化设计

关崇伟

(大同煤矿集团晋华宫矿ꎬ山西大同　０３７００３)

摘　要:为了解决燕子山矿石炭系煤层巷道支护强度和成本过高的问题ꎬ从巷道掘进和使用特点入手ꎬ优化巷道支护方案ꎬ实现了顶锚杆、锚索协同支护ꎬ使两帮对顶板支护能力增加ꎬ消除了巷道顶底角的应力集中ꎬ有效提高了巷道支护效果ꎬ技术经济效益显著ꎮ关键词:石炭系煤层ꎻ巷道支护ꎻ优化

中图分类号:ＴＤ３５３.６　　　文献标识码:Ａ　　　文章编号:１００５􀆼２７９８(２０２０)０１􀆼００５５􀆼０２

　　大同煤矿集团燕子山矿现开采石炭系Ｃ３号煤层ꎬ该煤层平均厚度７.６３ｍꎬ采用综采放顶煤采煤法开采ꎮ由于生产地质条件复杂ꎬ巷道支护设计仍然采用工程类比法ꎬ设计理念不够先进ꎬ导致巷道支护设计保守ꎬ单排锚索支护强度过高ꎬ但锚索布置排距大ꎬ与锚杆协同支护性差ꎬ且锚索锚固岩层岩性为砾岩ꎬ施工锚索成本高ꎬ严重影响掘进效率ꎮ针对巷道的特点ꎬ必须运用先进的支护理论和手段[１－２]ꎬ对巷道支护进行优化设计ꎬ实现安全生产和节支提效ꎮ

１　工程概况

本文选取燕子山矿２２２０巷为研究对象ꎬ该巷道设计长度２７００ｍꎬ断面为５.４ｍ(宽)×３.６ｍ(高)ꎬ沿煤层底板掘进ꎬ煤层埋深约５００ｍꎬ煤层顶底板岩性见表１ꎬ原支护设计如下:

表１　煤层顶底板岩性

顶底板名称

老顶

岩石名称砂砾岩

砾岩砂泥岩粉砂岩炭泥岩砂泥岩高岭岩含砾砂岩砾岩

厚度/ｍ５.８３~８.０５

６.７５０.５０~５.７２

２.８２３.３０~７.３２

３.２０２.５０~１１.３７

６.９４

岩性特征灰白色ꎬ成分以石英、长石为主ꎮ致密ꎬ较坚硬－坚硬ꎮ次棱角－次圆状ꎮ黑色、浅灰色、灰白色炭泥岩、砂泥岩粉砂岩ꎬ局部上为炭质泥岩ꎬ下为粉砂岩ꎮ块状ꎬ性脆ꎮ深灰色或灰褐色、黑褐色ꎬ贝壳状断口ꎮ下部夹薄煤层ꎮ灰白色ꎬ成分以石英为主、长石次之ꎮ偶含煤屑ꎬ胶结致密ꎮ

直接顶

直接底

老底

顶板采用Ｄ２０ｍｍ×２４００ｍｍ的螺纹钢锚杆ꎬ每排７根ꎬ排距９００ｍｍꎬ间距８００ｍｍꎬ最外侧两根锚杆向外倾斜１０°安装ꎬ在顶板铺设Ｄ４ｍｍ×

１００ｍｍ×１００ｍｍ菱形金属网ꎬ采用５１００ｍｍ×２８０ｍｍ×３ｍｍ的Ｗ钢带压网ꎬ配套碟形垫规格为１３０ｍｍ×１３０ｍｍ×１０ｍｍꎻ锚索采用Ｄ２１.８ｍｍ×８０００ｍｍ高预应力锚索ꎬ每排５根ꎬ排距２７００ｍｍꎬ中间３根间距为１６００ｍｍꎬ两边为１１００ｍｍꎬ中间锚索配套钢托板规格为２５０ｍｍ×２５０ｍｍ×１６ｍｍꎬ两侧两角锚索向外倾斜２０°安装ꎬ角锚索端头护表构件采用小段工字钢ꎮ

采煤帮采用Ｄ２０ｍｍ×２０００ｍｍ的玻璃钢锚杆ꎬ每排４根ꎬ排距９００ｍｍꎬ间距９００ｍｍꎬ上侧锚杆向上倾斜１０°安装ꎬ与顶板距离１５０ｍｍꎬ下侧锚杆与底板距离７５０ｍｍꎬ挂Ｄ４ｍｍ×１００ｍｍ×１００ｍｍ的菱形金属网ꎬ采用４５０ｍｍ×２２０ｍｍ×４ｍｍ的Ｗ型钢护板压网ꎬ配套碟形垫规格为１１０ｍｍ×１１０ｍｍ×１０ｍｍꎮ

非采煤帮采用Ｄ１８ｍｍ×２０００ｍｍ的螺纹钢锚杆ꎬ每排４根ꎬ排距９００ｍｍꎬ间距９００ｍｍꎬ上侧锚杆向上倾斜１０°安装ꎬ与顶板距离为１５０ｍｍꎬ下侧锚杆与底板距离为７５０ｍｍꎬ铺设Ｄ４ｍｍ×１００ｍｍ×１００ｍｍ的菱形金属网ꎬ采用４５０ｍｍ×２２０ｍｍ×４ｍｍ的Ｗ型钢护板压网ꎬ配套碟形垫型号为１１０ｍｍ×１１０ｍｍ×１０ｍｍꎮ

底板支护采用Ｃ２５混凝土铺底ꎬ铺底厚度２００ｍｍꎮ

　　在掘进过程中ꎬ顶板及两帮煤体随掘随落ꎬ导致巷道表面不平整ꎬ成形不规则ꎬ后期巷道变形量也较大ꎬ出现应力集中现象ꎮ分析认为巷道支护设计不合理、巷道两帮支护强度较低致使巷帮对顶板的支撑作用较差ꎬ顶板锚索单排布置过于密集而排距又较大ꎬ难以与锚杆协同支护ꎮ角锚索工字钢腹板平行巷道顶板布置ꎬ导致两侧工字钢腿对顶板产生了

收稿日期:２０１９􀆼０９􀆼１０

作者简介:关崇伟(１９９５－)ꎬ男ꎬ山西临汾人ꎬ助理工程师ꎬ从事煤炭生产技术管理工作ꎮ

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２０２０年１月　　　　　　　　　　关崇伟:燕子山矿石炭系巷道支护优化设计　　　　　　　　　　　第２９卷第１期

切割ꎬ一定程度上破坏了顶板完整性ꎬ且小段工字钢护表面积较小ꎬ仅能提供较大抗弯刚度与强度ꎬ认为其支护效果不如托板ꎮ

２　巷道支护特点及要求

１)　该巷道为大断面全煤巷道ꎬ顶煤厚度为４ｍ左右ꎬ围岩较软弱ꎬ支护困难ꎬ支护成本高、效率

５１００ｍｍ×２８０ｍｍ×３ｍｍ的Ｗ钢带压网ꎬ配套碟形垫规格为１５０ｍｍ×１５０ｍｍ×１０ｍｍꎻ锚索采用Ｄ２１.８ｍｍ×７０００ｍｍ的高预应力锚索ꎬ每排２根ꎬ间距３２００ｍｍꎬ排距１８００ｍｍꎬ与巷道中心对称布置ꎬ配套钢托板规格为３００ｍｍ×３００ｍｍ×１６ｍｍꎮ采煤帮采用Ｄ２０ｍｍ×２０００ｍｍ的玻璃钢锚杆ꎬ每排５根ꎬ排距９００ｍｍꎬ间距７５０ｍｍꎬ上侧锚杆向上倾斜１０°安装ꎬ与顶板距离为１５０ｍｍꎬ下侧锚杆向下倾斜１０°安装ꎬ与底板距离４５０ｍｍꎬ挂塑料网并配套相应托板ꎮ

非采煤帮采用Ｄ１８ｍｍ×２０００ｍｍ的螺纹钢锚低ꎬ且掘进期间巷道受到断层等特殊地质与应力条件的影响ꎬ巷道围岩变形较大ꎮ

２)　工作面回采方法为综放开采ꎬ由于Ｃ３号煤层老顶为坚硬的砂砾岩ꎬ顶板完整性较好ꎬ形成的采场空间大、从而形成的老顶悬臂梁结构也较大ꎬ进而使工作面超前支承压力的峰值和影响范围比普通综采更大ꎬ在回采期间对巷道的结构及受力状态影响严重服务期间对巷道稳定性要求高３)　ꎬ使支护的难度增大该回采巷道的服务年限较长ꎮ

ꎬ整个工作面回采过ꎬ为２ａ左右ꎬ程中ꎬ巷道必须稳定可靠ꎬ以保证工作面回采工作的正常进行ꎮ由于巷道断面较大ꎬ且应保证整个回采过程中的巷道稳定性ꎬ所以在正常生产要求的前提下ꎬ不允许巷道有大的表面位移ꎮ

３　支护优化

为了适应综放工作面生产需要ꎬ结合２２２０大断面厚顶煤回采巷道支护现状ꎬ从巷道掘进和使用特点入手ꎬ完善巷道支护方案、改进支护参数、增加综合支护能力、提高安全性能ꎮ具体要求为:优化顶板锚杆、索及护表构件的布置形式与参数ꎬ达到锚杆、锚索协同支护的目的ꎻ优化两帮及角支护ꎬ增强巷道对顶板的支撑作用ꎻ最后要确保２２２０回采巷道在使用期间稳定可靠的支护效果ꎬ并且能够在一定程度上节约支护材料、降低成本、提高支护效率ꎮ支护优化方案如下:

７杆向外根ꎬ顶板布置排距倾斜９００Ｄ１０°ｍｍꎬ２０安装间距为ｍｍ×２ꎬ距帮８００４００３００ｍｍꎬｍｍ的螺纹钢锚杆ｍｍꎬ最外侧两根锚在顶板铺设Ｄ４ｍｍ×１００ｍｍ×１００ｍｍ的菱形金属网ꎬ采用

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杆ꎬ每排５根ꎬ排距９００ｍｍꎬ间距７５０ｍｍꎬ上侧锚杆向上倾斜１０°安装ꎬ与顶板距离为１５０ｍｍꎬ下侧锚杆向下倾斜１０°安装ꎬ与底板距离４５０ｍｍꎬ铺设Ｄ４５０４ｍｍ相应钢托板ｍｍ××１００２２０ｍｍ×１００ｍｍ的菱形金属网ꎬ采用ꎮ

ｍｍ×４ｍｍ的Ｗ型钢护板压网ꎬ配套２００底板支护采用Ｃ２５混凝土铺底ꎬ铺底厚度４　结ｍｍꎮ

　语

本文在保证巷道安全的前提下ꎬ对巷道支护方案进行优化ꎬ实现了顶锚杆、锚索协同支护ꎻ增加两帮锚杆支护密度使得两帮对顶板支护能力增加ꎬ消除了巷道顶底角的应力集中ꎮ通过现场观测比对ꎬ支护优化后巷道的顶底板移近量减少４１ｍｍꎬ两帮移近量减少了３６ｍｍꎮ同时支护成本显著降低ꎬ每米巷道支护材料费用减少２６０元ꎬ支护效率明显提升ꎬ取得了良好的经济技术效果ꎮ参考文献:

[１]　张煤　ꎬ２０１９ꎬ２８(９):２１科ꎬ王高峰.大断面全煤回采巷道支护优化－２４.

[Ｊ].[２]　梁文明国煤炭.ꎬ２０１４ꎬ４０(１):５４大断面煤巷支护设计优化及应用研究－５７.

[Ｊ].中

[责任编辑:常丽芳]