曹克忠

（山西煤炭进出口集团蒲县万家庄煤业有限公司， 山西 临汾 041000）

引言

随着地质赋存条件简单的煤炭资源逐渐枯竭，开始开采地质赋存条件较为复杂的煤层，受到矿山压力和工作面推进影响，工作面巷道围岩完整性受到破坏，变形较为严重，需针对具体的工作面地质环境进行巷道支护技术研究[1]。

巷道支护方式及技术参数的选取尤为重要，若强度太高，会浪费支护材料，造成成本增加；若强度太低，造成巷道围岩变形严重，影响掘进速度，严重时造成安全事故[2]。目前针对亚辰煤业29207 工作面皮带巷顶底板具体地质条件进行支护技术研究。

1 工程概况

亚辰煤业有限公司位于山西吕梁离石市，矿井井田面积1.5 km2，可采煤层为8 号、9 号，根据设计能力60 万t/ 年，井田内规划工作面布置18 个。29207 工作面地面标高977～962 m，工作面标高672～708 m。对应地面位置：该工作面对应地位于工业广场以北，区域地表以黄土梁、峁为主，其次为黄土沟谷的冲沟，切割强烈，沟谷纵横。主要出露地层为Q2+3、N2。经调查地面无建筑物。

29207 工作面井下位置及四邻采掘情况：工作面位于9 号煤层左翼，北西与泰业煤业相邻（保安煤柱40 m），东与29206 采空区相邻，南与工业广场相邻；对应上方间隔6.72～10.62 m 为8 号煤层28206工作面采空区。工作面所采煤层为9 号煤层，属稳定可采近水平厚煤层，煤层倾角5°～7°，平均6°，煤厚3.9～4.5 m，平均4.2 m，工作面顶底板岩性如表1 所示。

2 巷道布置

2.1 平面布置

29207 工作面位于9 号煤左翼盘区，根据工作面布置情况及西山煤电函〔2019〕264 号关于山西吕梁离石西山亚辰煤业有限公司工业广场保护煤柱变更设计的批复意见，同时考虑通风的工作能力等，设计工作面长度为94 m。

表1 工作面顶底板岩性表

工作面走向长度根据29207 皮带顺槽开口位置到井田边界保安煤柱线的长度来决定，29207 皮带顺槽开口位置到井田边界保安煤柱线的最近距离为205 m，工作面切眼一端与井田边界保安煤柱线相交，轨道顺槽设计长度199 m、皮带巷设计长度为205 m。

2.2 剖面布置

29207 工作面两巷位于9 号煤层，上覆8 号煤层8.6～10.6m，巷道最大坡度5°，最小坡度2°，平均4°。

3 巷道断面确定

根据亚辰煤业29207 工作面煤层赋存情况及巷道功能属性，采用梯形断面巷道。

3.1 巷道净宽

巷道从一侧需1.0 m 的人行道，另一侧需0.5 m的安全间隙。

式中：B 为巷道净宽；a 为非人行道侧胶带输送机距巷帮之间的距离，取0.5 m；b 为胶带输送机宽度，取1.4 m；c 为人行道侧胶带输送机距巷帮之间的距离，取1.0 m

将数据代入上式可得B＝2.9 m。

综合考虑最宽设备（转载机电机、破碎机）锚杆外露长度、管线吊挂及巷道受压变形等因素，同时考虑要在皮带巷内进行探放水钻孔的布置，巷道净宽取3.45 m。

3.2 巷道高度

该工作面9 号煤层为厚煤层，煤层厚度3.80～4.55 m，平均4.3 m。工作面跟底留顶煤掘进，取巷道高度2.6 m。按设备最大高度验算：

式中：h1为设备高度，取1.9 m；h2为设备顶部安全距离，取0.3 m；h3为锚索外露长度，取0.2 m；

将数据代入上式可得H=2.4 m，能满足设备要求。

3.3 巷道净断面

S＝（上宽+下宽）×高/2=（3+3.9）×2.6/2＝8.97 m2。

3.4 按风速进行验算

式中：Q皮为皮带巷设计配风量，832 m3/min；V皮为正巷风速，V皮=Q皮/（60×S）＝832/（60×8.97）=1.6 m/s

因《煤矿安全规程》规定掘进工作面半煤岩巷、煤巷风速为0.25～4 m/s，故皮带巷断面设计合理。

4 巷道支护方式（见图1）

4.1 巷道支护参数

根据9 号煤层顶板状况及相邻工作面经验，两巷均采用锚杆、锚索、工字钢棚联合支护。具体参数如下：

顶锚杆采用Φ20 mm×2 200 mm 高强左旋螺纹钢锚杆，每孔采用2 支K2360 型树脂药卷锚固，帮锚杆采用Φ20 mm×2 200 mm 高强左旋螺纹钢锚杆，每孔采用1 支K2360 型树脂药卷锚固，托盘采用140 mm×140 mm×10 mm 鼓型托盘。上下帮角位置锚杆应按一定角度予以施工。顶部锚杆、锚索间距为800 mm，排距为800 mm，每排锚杆都用长度为3 050 mm 的钢筋梯相连，帮部锚杆间距为900 mm，排距为1 000 mm，每排锚杆都用长度为1 850 mm钢筋梯相连。

锚索采用Φ17.8×6 200 mm 的钢绞线，点锚索托盘采用300 mm 长的18 号槽钢梁，锚具采用锁芯为三瓣的锁具，锁具与钢梁之间要垫一个140 mm×140 mm×10 mm 的平托盘，锚索在顶板上布置方式为对锚索布置，排距1 000 mm。每根锚索采用3 支K2360 型树脂药卷锚固。11 号工字钢梯形棚布置在锚杆（索）中间，排距800 mm。

工字钢棚为11 号工字钢。W 钢带长度为3 500 mm。顶金属菱形网规格长×宽为3 150 mm×1 200 mm；采用14 号铁丝隔3 孔编织连接。帮金属菱形网规格长×宽为10 m×1.2 m；采用14 号铁丝隔3 孔编织连接。

图1 巷道支护方式图（单位：mm）

4.2 支护设计参数验算

4.2.1 锚杆参数验算

4.2.1.1 锚杆长度

式中：L杆为锚杆长度，m；L1为锚杆外漏长度，取0.15 m；L2为锚杆有效长度，取0.8 m；L3为锚杆锚固长度，取0.4 m；

代入可得L杆=1.35 m，所取锚杆长度2.2 m，可以满足需求。

4.2.1.2 锚杆直径

根据杆体承载力与锚固力等强度原则计算杆体直径D：

式中：σt为杆体材料抗拉强度，取490 MPa；Q 为锚固力，取105 kN。

带入计算公式可得D=16.44 mm，所取锚杆直径为20 mm，可以满足需求。

4.1.2.3 锚杆间排距

锚杆间排距s1、s2按锚杆等距排列：

式中：γ 为容重，取25 kN/m3；K 为锚杆安全系数，取2。

代入数据：s1=s2=1.32 m，因该数据大于实际顶、帮部锚杆间排距，所取锚杆间排距可以满足需求。

4.2.2 锚索参数验算

4.2.2.1 锚索长度

锚索长度可参考下式确定：

式中：L索为锚索长度，m；L4为锚索外露长度，取0.4 m；L5为潜在的不稳定岩层高度，m；L6为锚索锚固长度，取2.2 m。

根据9 号煤层围岩地质特征，锚索最好能够锚固在较稳定的岩层中，即锚固在8 号煤层底板粉砂岩中。8 号煤层已经开采完毕，上覆围岩的垮落导致8 号煤层底板围岩产生裂隙，这不利于锚固剂发挥锚固特性，因此潜在的不稳定岩层高度L5为3 m。因此锚索长度L=0.4+3+2.2=5.6 m，所取锚索长度为6.2 m 可以满足需求。

4.2.2.2 锚索密度

对于一般巷道，每2～3 排锚杆布置1～2 根锚索比较可行。但考虑到回采和煤柱集中支承压力导致巷道围岩破碎范围扩大，因此需要适量增大锚索数量，即巷道顶板、两帮每2 排锚杆布置3～4 根锚索。

以29201 工作面轨道巷为例，顶板长度为3.35 m，在沿巷道轴向1.6 m 范围内，安装了7 根锚杆和3根锚索。经查锚杆的抗拉强度为340 MPa，Φ17.8mm的锚索拉断载荷为353 kN，因此，巷道顶板的支护阻力理论值为：（106.76×7+353×3）/（3.35×1.6）=0.337 MPa.

而仅采用锚杆进行顶板支护时，支护阻力为：

（106.76×10）/（3.35×1.6）=0.119 MPa.

可见，安装锚索后，巷道顶板的支护阻力为全锚杆支护的2.83 倍。

4.2.3 工字钢棚参数设计

在设计中采用了工字钢棚进行加强支护，虽然棚式支护属于“被动”支护，基本不具有初撑力，只是在围岩变形后，随着围岩变形的增加支架支护阻力随之增加，但是通过架设工字钢棚，可以加强巷道表面支护强度，确保巷道表面围岩稳定。工字钢棚架设的位置主要考虑到工字刚棚架设与锚杆索之间不相互干扰，因此工字钢棚的排距设置为800 mm，安装在每两排锚杆之间。工字钢棚型号为矿上现有的11号工字钢棚。

5 工业试验

亚辰煤业29207 工作面巷道采用如上支护技术方案进行支护工作，为研究以上方案参数的合理性及巷道围岩的变形量，在巷道每隔45 m 设置一个测站，分别记录巷道两帮及顶底板变形量。

由图2 可知，在工作面回采期间，两帮移近量稳定在117 mm，顶底板移近量稳定在57 mm，完全可以保证巷道安全稳定，保障工作面的正常回采需求。

图2 巷道变形量分析

6 结论

针对亚辰煤业29207 工作面巷道支护等问题，根据巷道布置以及煤层赋存情况，设计巷道均采用梯形断面，断面尺寸为：上宽3.0 m，下宽3.9 m，净高2.6 m；通过9 号煤层顶板状况及相邻工作面支护经验，两巷均采用锚杆、锚索、工字钢棚联合支护。具体结果如下：

1）顶锚杆采用Φ20×2 200 mm 高强左旋螺纹钢锚杆，帮锚杆采用Φ20×2 200 mm 高强左旋螺纹钢锚杆，托盘采用140 mm×140 mm×10 mm 鼓型托盘。锚杆间排距800 mm×800 mm。

2）锚索采用Φ17.8 mm×6 200 mm 的钢绞线，锁具与钢梁之间要垫一个140 mm×140 mm×10 mm的平托盘，排距1 000 mm。

3）通过现场工作面实际应用变形量监测，证明此支护方案可以保证29207 工作面巷道的安全稳定。