關中復雜地質(zhì)條件下回采巷道設計及支護的論證研究

關中復雜地質(zhì)條件下回采巷道設計及支護的論證研究

田海山? 吝鵬濤

（陜西澄合山陽煤礦有限公司，陜西 合陽 715300）

摘? 要：為提高關中地區(qū)復雜地質(zhì)條件下巷道設計的安全性、穩(wěn)定性和節(jié)約性，本文以渭北地區(qū)山陽煤礦公司地質(zhì)條件為基礎，就1501工作面運用的傳統(tǒng)錨網(wǎng)索+U型棚支護和1502工作面采用的錨網(wǎng)索支護工藝進行了比較論證研究，得出了一套普遍適用于關中復雜地質(zhì)條件下的巷道設計及支護方案，值得在煤礦企業(yè)進行廣泛推廣。

關鍵詞：回采巷道 ?錨桿支護? 自動化

0? 引言

隨著當前社會經(jīng)濟的發(fā)展速度不斷加快，我國相關行業(yè)發(fā)展對煤礦資源的需求量不斷上漲，使得煤礦的產(chǎn)量及開采效率需要不斷提高。而煤礦巷道支護技術(shù)的發(fā)展為煤礦工程的安全性及穩(wěn)固性提供了重要保障，隨著技術(shù)的連年改進，巷道支護由最初的木支護發(fā)展到砌碹支護，而后發(fā)展至U型鋼和錨桿支護。受煤礦地域原因的影響，不同的地質(zhì)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(zhì)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分析，得出了適用于整個關中地區(qū)復雜地質(zhì)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：

山陽煤礦籌建于2009年8月，井田位于陜西省渭北石炭二疊紀煤田澄合礦區(qū)中深部，行政區(qū)劃隸屬合陽縣王村鎮(zhèn)、城關鎮(zhèn)、防擄寨鄉(xiāng)及甘井鎮(zhèn)管轄。井田東西長12.2～13.2km，南北寬4.5～6.8km，面積80.517km2。礦井地質(zhì)儲量3.98億噸，可采儲量為2.43億噸，礦井年設計生產(chǎn)能力為300萬噸/年，服務年限60.1年。

(2)地質(zhì)構(gòu)造：

本井田地質(zhì)構(gòu)造中等，可采煤層埋藏深度大，礦井直接充水含水層為煤系上覆地層各砂巖裂隙含水巖層，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：

煤系沉積基底奧陶系灰?guī)r，含水空間以溶蝕裂隙為主，富水性具有明顯的不均一性，且?guī)r溶水連通性良好，具有區(qū)域性的水位標高+380.00m。水頭壓力大，主要可采煤層均處于+380.00m以下，由于太原組下部巖層隔水性能不穩(wěn)定，奧灰水將對煤層開采造成很大威脅。根據(jù)《礦區(qū)水文地質(zhì)工程地質(zhì)勘探規(guī)范》（GB12719－91）及《煤、泥炭地質(zhì)勘查規(guī)范》中有關規(guī)定，其水文地質(zhì)勘探類型為三類（第一亞類）三型，屬以巖溶裂隙為主、底板間接充水的水文地質(zhì)條件復雜的巖溶充水礦床。

1.2? 工程背景

(1)煤層特征：

井田內(nèi)含基本全區(qū)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(guī)律的增大，煤層傾角3～8°，結(jié)構(gòu)較簡單，、開采厚度大部分在4.00m以下，煤層結(jié)構(gòu)中等，多含1～2層夾矸，巖性多為泥巖、炭質(zhì)泥巖、砂質(zhì)泥巖，屬較穩(wěn)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(wěn)定煤層。

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

(2)頂?shù)装鍘r性特征：

5號煤基本頂以塊狀灰色淺灰色中、細粒砂巖砂巖為主，有時相變?yōu)榉奂毶皫r或粉砂巖，巖性較堅便，厚層狀，干燥狀態(tài)下樂強度3180－5700平均4500，屬中等穩(wěn)定的不易垮落頂板，直接頂板分泥巖或粉砂巖和砂巖兩類，以泥巖或粉砂巖為主。屬于中等穩(wěn)定易冒落頂板，5號煤層底板多為砂質(zhì)泥巖，少量的粉細砂巖，底板屬于中等偏軟，穩(wěn)定性較差。

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圖1：山陽煤礦公司巖層柱狀圖

2.關中地區(qū)復雜地址條件下使用架棚支護工藝的現(xiàn)狀（以1501工作面為例）

2.1? 1501工作面順槽支護形式

2.1.1? 巷道斷面及支護形式

斷面設計為半圓拱，掘進支護形式：采用錨網(wǎng)索+29U型鋼聯(lián)合支護。

表1? 巷道斷面

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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于4m長π型鋼梁，每一根鋼梁用兩個吊環(huán)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，間距不小于1m。前探梁到迎頭端面距離不超過200mm,吊環(huán)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道拉桿連接，棚距800mm，拉桿用扁鋼（Q235，GB704-88）制成，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，卡纜桿用Φ22mm圓鋼（Q235，GB702-86）制成，長610mm，卡纜間距為350mm，卡纜螺母（Q235，M24，GB/T6170-2000）力矩不小于140N·M。

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

⑤背幫頂使用木板皮，規(guī)格1200×150×50mm。雙道交叉布置。

⑥架棚支護滯后迎頭不得超過5m。

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圖2：1501工作面斷面支護圖

2.2? 在1501工作面采用錨網(wǎng)索+U型棚進行支護后存在的問題

(1)成本發(fā)面：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(chǎn)成本。工作面回采過程中，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工作面設計長度為2347m,總成本增加約1200萬元。

(2)安全方面：在架棚支護過程中，工人由于登高作業(yè)，增加了作業(yè)強度與難度，加之U型棚較重，達到29公斤/米，工人架棚操作危險系數(shù)增加；1501工作面在回采過程中，頂部板皮腐化后，工作面兩順槽出現(xiàn)多處吊包、漏頂，危害職工生命安全。(3)礦山自動化推廣方面：直墻半圓拱斷面不利于端頭支架支護；巷道斷面過小不利于下一步推廣自動化采煤，提高產(chǎn)量；U型棚支護需要職工回收棚梁，不利于自動化發(fā)展。

針對以上出現(xiàn)的三方面問題，礦井成立了專業(yè)技術(shù)團隊進行了分析解決，通過簡歷模型、數(shù)據(jù)推算、反復驗證，探索出了錨桿+錨索+網(wǎng)片的巷道支護方式，并在1502工作面進行了試點實施，取得了良好的效果。

3? 1502工作面錨桿+錨索+網(wǎng)片支護方式的探索

3.1? 1502工作面巷道斷面的設計

3.1.1? 巷道形狀設計

我國煤礦井下使用的巷道斷面形狀，按其輪廓線構(gòu)成可分為折線形和曲線形兩大類。前者如矩形、梯形、不規(guī)則形，后者如半圓拱形、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，在選擇巷道斷面形狀時起主要作用。當頂壓和側(cè)壓均不大時，可選用矩形或梯形，當頂壓較大、側(cè)壓較小時則應選用直墻拱形斷面（半圓拱形），當頂壓、側(cè)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面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面較為有利；服務年限10年左右的準備巷道多采用梯形斷面或采用錨噴支護的拱形斷面；服務年限短的回采巷道多采用梯形斷面。

根據(jù)山陽煤礦地質(zhì)資料顯示，井田范圍內(nèi)側(cè)壓較小，巖層水平應力較小，5號煤頂板較為穩(wěn)定，回采巷道服務年限一般在2-3年之內(nèi)，結(jié)合自動化采煤工作面要求，超前支護采用超前支架，宜采用梯形斷面形狀。?

3.1.2? 巷道尺寸的確定

礦山自動化是當今煤炭行業(yè)的主流發(fā)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?；夭上锏啦捎缅^網(wǎng)索支護，錨索外露長度最小為150mm。綜采設備集中布置，一側(cè)需設置轉(zhuǎn)載機和膠帶輸送機，另一側(cè)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(cè)，不得小于800mm；采煤機滾筒需將全切眼割通，滾筒直徑2200mm，截割結(jié)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(yōu)支護方案的選擇及參數(shù)確認

3.2.1? 支護形式的選擇

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

基于錨桿支護的以上優(yōu)勢，加之山陽煤礦大力啟動自動化采煤技術(shù)及設備，為了便于綜采工作面回收，公司決定在1502工作面選擇錨桿支護形式。

3.2.2? 最優(yōu)參數(shù)的計算與確認

山陽煤礦公司錨桿支護采用黏結(jié)式等強螺紋鋼錨桿，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巖有較大的變形而不喪失錨固力且承載力較高，M形托板安裝時易于緊貼巖面，圍巖變形時與圍巖形成一體，適用于頂板裂隙比較發(fā)育的條件。

根據(jù)懸吊理論、組合梁理論計算，設計錨桿、錨索布置形式：

A錨桿

①長度計算

錨桿的長度L=N（1.1+5/10）

式中　　

Ｂ——巷道跨度（ｍ）Ｂ＝5。

Ｎ――圍巖穩(wěn)定系數(shù)Ｎ＝１.0

L=1.0×（1.1+5/10）

=1.6m。

巷道掘進根據(jù)地質(zhì)提供資料分析、巷道設計在穩(wěn)定巖層，巷道支護錨桿選擇2.4m符合安全支護要求。

②間距計算

錨桿的間距D=0.6×L

=0.6×1.6

=0.96m

因此，巷道支護錨桿間、排距選擇0.8m小于計算支護參數(shù)符合安全支護要求。

③錨桿直徑

錨桿直徑d=1×L/110

??????? d=1×1600/110

???????? =14.55mm

錨桿直徑選擇20mm大于理論計算參數(shù)，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(wěn)定巖層的錨固長度，取1.5m；

Lb—需要懸吊的不穩(wěn)定巖層厚度，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(jù)巷道設計和現(xiàn)有地質(zhì)資料分析,為防止巷道頂巖層發(fā)生大面積整體垮落，施工中錨索使用φ18.9mm的鋼絞線，錨索的長度為9.3m。用錨索將錨桿加固的“組合梁”整體懸吊于堅硬巖層中，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桿以及垂直頂板的頂錨和錨索一起發(fā)揮懸吊作用，在忽略巖體粘結(jié)力和內(nèi)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--巖體容重，19.992KN/m3； L1--錨桿排距，0.8m；

F1--錨桿錨固力，105KN；??? F2--錨索極限承載力，230KN；

θ--角錨桿與巷道頂板的夾角，75°；? n--錨索排數(shù)，取2；

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

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

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圖3：1502工作面斷面支護圖

C網(wǎng)片

①網(wǎng)片類型優(yōu)缺點分析

網(wǎng)片主要用來維護錨桿間的圍巖，防止小塊松散巖石掉落，被錨桿拉緊的網(wǎng)還能起到聯(lián)系各錨桿組成支護整體的作用。網(wǎng)片負擔的松散巖石的荷載主要取決于錨桿間距大小。常用于錨網(wǎng)支護的網(wǎng)片有鐵絲網(wǎng)、鋼筋網(wǎng)和塑料網(wǎng)等。它們分別有以下優(yōu)缺點，應根據(jù)現(xiàn)場實際情況進行選擇：

鐵絲網(wǎng)——強度高、聯(lián)接方便，但易于隨圍巖變化而變形。

鋼筋網(wǎng)——強度和剛度都比較大，不僅能阻止松動巖塊掉落，而且能有效地增加錨桿支護的整體效果，適用于大變形、高應力巷道支護。

塑料網(wǎng)——成本低、輕便、抗腐蝕，但其強度和剛度較低。

②針對不同圍巖變形量網(wǎng)片的選擇

山陽煤礦巷道支護的研究實踐過程中經(jīng)歷了幾次大的變化，主要體現(xiàn)在網(wǎng)片的選擇上，分為以下幾個階段：

——掘進巷道全斷面采用鋼筋網(wǎng)。鋼筋網(wǎng)由Φ6.5圓鋼焊接而成，規(guī)格為1000×2000mm，網(wǎng)格為100×100mm。圍巖變形量較大，巷道掘進施工過程中需要不斷返修。幫部采用鋼筋網(wǎng)，職工施工難度較大，不易于聯(lián)網(wǎng)，幫部出現(xiàn)垮幫情況時，錨桿不能緊貼巖面，支護強度不能達到設計要求。

——掘進巷道全斷面采用鋼筋網(wǎng)+鐵絲網(wǎng)聯(lián)合使用。鋼筋網(wǎng)規(guī)格同上，鐵絲網(wǎng)采用10#鐵絲編織的菱形網(wǎng)，規(guī)格4200×900mm，網(wǎng)孔50×50mm。圍巖變形量較小，但幫部使用鋼筋網(wǎng)同樣施工難度大，鋼筋網(wǎng)與鐵絲網(wǎng)需要提前連接在一起，增大了職工勞動強度，增加了區(qū)隊人力成本。

——掘進巷道頂部采用鋼筋網(wǎng)+鐵絲網(wǎng)聯(lián)合使用，幫部采用雙層鐵絲網(wǎng)聯(lián)合支護。網(wǎng)片規(guī)格同上。幫部圍巖變形量較大，鐵絲網(wǎng)剛度較低，隨圍巖變化而變形，巷道掘進施工過程中返修率較高。

——掘進巷道全斷面采用鋼筋網(wǎng)+塑鋼網(wǎng)聯(lián)合使用。塑鋼網(wǎng)規(guī)格為1000×2000mm，網(wǎng)孔為50×50mm。與前3種網(wǎng)片選擇相比，材料輕便，網(wǎng)片強度和剛度都較好，圍巖變形量較小。同時塑鋼網(wǎng)的使用大大避免了巷道長時間裸露情況下網(wǎng)片腐蝕的情況。

根據(jù)對理論知識的理解和現(xiàn)場不斷的試驗并總結(jié)經(jīng)驗，山陽煤礦最終確定采用第4條網(wǎng)片選擇方案，進一步加強了對巷道圍巖的控制，同時大大減小了工人的勞動強度，為后續(xù)山陽煤礦提高掘進單進水平打下了堅實的基礎。

4? 最優(yōu)方案的實施效果及推廣價值

（1）成本發(fā)面：減少了工作面架棚支護的材料費用，延米減少近5000元；工作面掘進施工和回采過程中不用在組織架棚、拆棚，材料運輸?shù)膲毫Φ玫接行п尫?，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，工作面掘進和回采過程工效更高。

（2）安全方面：采用錨網(wǎng)索進行支護有效減少了頂板下沉量，頂板相對穩(wěn)定，幫部移近量變小，圍巖變形得到有效控制；在使用網(wǎng)片后，工作面漏頂、垮幫事故大幅度降低，安全系數(shù)得到有效提升，保障了工人在作業(yè)現(xiàn)場的安全生產(chǎn)。

（2）推廣方面：使用梯形斷面設計，有效擴寬了斷面高度和寬度，斷面面積大大增加，更加有利于礦山自動化設備的使用，其降低成本、提升安全系數(shù)的優(yōu)勢值得在關中地區(qū)復雜地質(zhì)條件下廣泛應用。

5? 結(jié)語

本文通過對山陽煤礦公司1501、1502工作面巷道設計與支護工藝的比較論證，得出了錨桿+錨索+網(wǎng)片支護更加有利于關中地區(qū)復雜地質(zhì)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、增強安全系數(shù)等優(yōu)勢具有大規(guī)模推廣的價值。

參考文獻：

[1] 何滿朝等.中國煤礦錨桿支護理論與實踐.北京：科學出版社，2004

[2] 東兆星等編.井巷工程.徐州：中國礦業(yè)大學出版社，2004

[3] 錢鳴高，石平五，徐家林主編。礦山壓力與巖層控制.徐州：中國礦業(yè)大學出版社，2010