煤层巷道过分叉区掘进支护工艺浅析及应用①

张 伟

(神华神东煤炭集团石圪台煤矿，陕西榆林 719315)

石圪台煤矿22305掘进工作面，地面位置: 22305主辅运巷道对应地面南侧为布袋壕三、四组(已搬迁)，地面标高为1228－1292.82 m。井下位置及四邻采掘情况:22305主辅运掘进工作面东南侧是22304工作面，西北面为2－2煤实体煤，西南面为2－2煤南翼集中辅运大巷，东北面为井田边界。22305工作面处于22煤与22上煤的分叉复合区内，局部分叉，其余为复合区。由于煤层复合及分叉区的的存在，对巷道掘进及支护技术提出了特殊的技术及工艺要求，为了保证正常和安全生产，不能采取一成不变的掘进支护措施。

本文在分析22305掘进面煤层赋存特征及顶底板岩性的基础上，根据煤层分叉区具体情况制定了相应的掘进支护措施，现场实际应用表明，采用针对性的掘进支护措施取得了良好的技术效果。

1 22305地质概况

根据地质说明书22305主辅运巷道掘进段在距主辅巷道开口325.3～3001.7 m范围内为分岔区，分岔区内22上煤煤厚0.36～2.15 m，平均1.4 m，22煤煤厚1.4～2.6 m，平均2.0 m，层间距0.8～17.65 m;其余为复合区，复合区内煤厚1.5～4.2 m，平均2.65 m，工作面局部煤层中有一至两层泥岩夹矸，厚度在 0.1～0.8 m。由于22305巷道掘进段在分叉区内，层间距不稳定，且22煤与22上煤之间的夹矸为砂质泥岩、中细粒砂岩、粉砂岩及炭质泥岩等，岩性不一，并且裂隙、节理较发育，极不稳定易冒落。

2 巷道支护设计

2.1 巷道断面设计及支护方案

1)施工巷道为矩形巷道，巷道断面参数如表1。

表1 巷道断面参数

2)巷道支护采用“锚杆+锚索+钢筋网”支护，巷道具体支护参数见巷道支护参数表2。

表2 巷道支护参数表

2.2 支护参数设计

2.2.1 采用工程类比法合理选择支护参数［1－2］

根据地测站提供的地质资料分析，直接顶为砂质泥岩、粉砂岩，厚度为0.3～1.03m，老顶为灰白色中、细粒砂岩，泥质胶结，厚度为 9.59～12.84 m。根据石圪台煤矿22煤开拓巷道及回采巷道顶板支护经验，选用Φ18×2100 mm螺纹钢锚杆，间排距详见支护参数表2。

2.2.2 采用计算法校核支护参数

1)锚杆长度计算(悬吊理论)

式中:L—锚杆长度，m;

H—冒落拱高度，m;

K—安全系数，一般K=1.5;

L1—锚杆锚入稳定岩的深度，一般按经验取0.3 m;

L2—锚杆在巷道中的外露长度，公司规定不超过0.05 m。

其中:

式中:B—巷道开掘宽度，本工作面巷道最大宽度为机头硐室段主运巷道宽6m;

f—岩石坚固性系数，粉砂岩取4.4。则:

则:L≥1.5×0.682+0.3+0.05≈1.373 m所以，选用的Φ18×2100 mm锚杆长度满足悬吊理论要求。

2)锚杆间、排距计算，设计时令悬吊面积为A

式中:A—悬吊面积，m2;

Q—锚杆设计锚固力，49kN/根;

H—冒落拱高度，取0.682 m;

R—被悬吊粉砂岩的重力密度，取23 kN/m3;

K—安全系数，一般K=2;

则:

设计的支护面积最大为1.2×1=1.2 m3，所选用的锚杆满足支护密度要求。

所以，锚杆支护参数符合巷道支护要求。

2.2.3 悬吊理论校核锚索间距

采用Φ17.8×6500 mm的锚索加强支护，将顶板岩层悬吊在稳定的岩层中。根据《锚杆支护手册》［1］可用下式计算锚索间距:

式中:L—锚索间距，m;

B—巷道最大冒落宽度，6 m;

H—巷道冒落高度，按最严重冒落高度取2.1 m;

γ—岩体容重，2.35 t/m3;

L1—锚杆排距，1.0 m;

F1—锚杆锚固力，5 t;

F2—锚索极限承载力，取33.7 t;

θ—锚杆与巷道顶板的夹角，90°;

n—锚索排数，取2。

则:L=2×33.7/［6×2.1×2.35－2×5× sin90°/1］≈3.44 m

所选锚索参数满足设计要求。

3 巷道过分叉区技术措施

3.1 巷道过分叉的基本情况

巷道掘进段处于煤层分叉区时，根据顶板情况、层间距大小等，大体有以下几种情况:

1)当22煤与22上煤层间距小于1 m，顶板裂隙发育较破碎或破碎时，在沿煤层底板掘进时顶板冒落严重，并且连采机能够正常割动夹矸时，根据22煤厚度及作业规程巷道设计高度，沿着22上煤顶板掘进，尽量将这层夹矸割去，掘进循环进度控制在11 m;

2)当22煤与22上煤层间距小于1 m，夹矸硬度大，顶板稳定或中等稳定，沿着22煤顶板掘进，掘进循环进度控制在11 m。

3)当22煤与22上煤层间距大于1 m，顶板稳定或中等稳定时，并且夹矸不太坚硬，连采机能够正常掘进时，沿22煤底板掘进，适当割一部分这层夹矸，保证巷道达到设计高度，循环进度控制在11 m。

4)当22煤与22上煤层间距大于1 m，顶板稳定或中等稳定时，夹矸坚硬，连采机无法正常向前掘进，改变掘进方式，采用沿顶破底的掘进方法，适当的割去部分底矸，以保证巷道达到设计高度;

3.2 以夹矸作为巷道顶板时掘进的具体措施

当以夹矸作为巷道顶板，根据顶板的稳定性和完整性，掘进支护时采用以下几种方式:

1)无顶煤，顶板稳定或中等稳定无节理、裂隙，顶板完好，掘进循环进度控制在11 m，沿顶板掘进，采用“锚杆+钢筋网+锚索”支护［3］，具体参数见图1。

图1 顶板完好

2)顶板有磷片、较少裂隙、滑面，顶板整体较完整时，掘进循环进度控制在6－8 m，保证巷道顶板不冒落，并采用“锚杆+钢筋网+锚索”支护，在原有的锚索支护上，每排锚索之间增加一根锚索，形成“五花”布置，具体参数见图2;锚索支护滞后锚杆支护一个循环，锚索空顶时间控制在6小时以内。

图2 顶板较完整

3)顶板裂隙发育、滑面增多，经常出现顶板冒落，甚至随掘随冒，顶板凸凹不平，掘进时循环进度控制在4～6 m，采用短掘快支，及时支护将确保顶板不冒落，保证人员安全，并采用“锚杆+钢筋网+锚索+钢筋钢带或W钢带”支护，每排5根锚杆，全断面铺设钢筋网片，每排三根锚索(带钢带)，锚索紧跟工作面及时支护，具体参数见图3。当顶板非常破碎的情况下，锚索长度改为8 m直径不变为Φ17.8，并在上述锚索布置的基础上，在每排中间增加两根锚索，形成“五花”布置，具体参数见图4。

4 结论

根据煤层顶板情况，制定不同的掘进支护措施，在保证巷道掘进时可以安全快速通过的前提下，实现巷道掘进达到设计要求，选择合理的支护方式，最大限度保证围岩的完整性和稳定性，保证人员在巷道中安全作业。实践表明，当以夹矸作为巷道顶板时，根据顶板完整情况，分别采用如图1～4所示的针对性支护措施，实现了石圪台煤矿22305主辅运巷道安全高效的通过，证明这种掘进支护措施很好地控制了巷道围 岩的变形，保证了巷道的稳定性和安全性。

图3 顶板裂隙发育

图4 顶板破碎

［1］ 锚杆支护手册

［2］ 石圪台煤矿支护手册，2011

［3］ 康红普，王金华.煤巷锚杆支护理论与成套技术［M］.北京:煤炭工业出版社，2007