突出矿井工作面巷道支护参数优化研究

突出矿井工作面巷道支护参数优化研究

孙志勇

(天地科技股份有限公司 开采设计事业部，北京 100013)

[摘要]以国内著名的煤与瓦斯突出矿井晋城寺河煤矿为工程背景，通过分析得出先抽后采降低煤体强度和锚固性能、高地应力、支护参数不匹配等因素是巷道围岩变形破坏的主要原因。根据地质条件和工程实践经验，对工作面巷道的支护参数进行优化设计，并在寺河矿西区W23013巷进行工业试验，围岩位移监测表明巷道变形量较小。与前期支护方案对比，优化后的支护方案在保证巷道安全的前提下，取得了较好的经济技术效益。

[关键词]突出矿井；瓦斯抽采；参数优化；经济效益

[中图分类号]TD353[文献标识码]A

[收稿日期]2014-11-12

DOI[]10.13532/j.cnki.cn11-3677/td.2015.01.017

[基金项目]国家自然科学基金青年

[作者简介]孙志勇(1985-)，男，山东潍坊人，硕士研究生，主要从事巷道支护技术推广应用和研究工作。

Research on Roadway Supporting Parameter for Coal-and-methane Outburst Mine

SUN Zhi-yong

(Coal Mining & Designing Department, Tiandi Science & Technology Co., Ltd., Beijing 100013, China)

Abstract:Main causes of surrounding rock deformation and failure of roadway in Sihe Colliery, a famous coal-and-methane outburst mine was analyzed which included reduced coal strength and anchorage property resulted from“first-drainage-second-mining”,high geo-stress and unmatched supporting parameters.According to geological condition and engineering practice experience, supporting optimization design was made and enforced in W23013 roadway of west section in Sihe Colliery.Displacement monitoring of surrounding rock showed that deformation was small.Compared with former supporting projection, optimized supporting projection could keep roadway stability and made excellent economic and technical benefit.

Keywords:coal-and-methane outburst mine; methane drainage; parameter optimization; economic benefit

[引用格式]孙志勇.突出矿井工作面巷道支护参数优化研[J].煤矿开采，2015，20(1)：56-59.

寺河煤矿是隶属山西晋煤集团的一座特大型矿井，分东、西2个井区，核定生产能力10.8Mt/a。该矿是世界著名的高瓦斯矿井，有着“世界罕见，亚洲第一”的称号，据2010年瓦斯等级鉴定结果，东井区相对瓦斯涌出量20.56m3/min，鉴定为高瓦斯矿井，西井区鉴定为煤与瓦斯突出矿井。

鉴于上述情况，矿方采用先抽后采的方式进行巷道掘进，抽放瓦斯的手段主要包括地面钻井预抽、千米钻机大面积区域性预抽、掘进过程中钻场和横川超前抽采。由于大面积的瓦斯预抽工作，掘进初期工作面巷道就呈现出围岩破碎，顶底板移近量和两帮收敛量较大，西井区巷道表现的尤为明显，掘进过程中就发生底鼓。支护体和护表构件受力大且变形明显，甚至出现破断，网兜现象严重，支护效果差，巷道安全得不到根本保证。

1巷道破坏原因分析

1.1　瓦斯抽采降低煤体强度和锚固性能

由于抽放密度和力度较大，导致煤体内裂隙贯通，大幅度降低了煤体的完整性和承载能力，尤其是护巷煤柱。利用全景钻孔窥视仪[2-3]在W1302工作面观测煤体结构(图1)，巷道均沿3号煤层(平均厚度6.2m)底板掘进，巷高3.8～4.2m，因此直接顶为厚度2.2m煤层，再往上为泥岩，瓦斯抽采后煤体非常松软破碎，空隙率极高，普遍存在较大的裂隙和非常明显的破碎带；打钻过程中成孔困难，钻孔大部分在距孔口4～5m处塌孔，导致深部煤体结构窥视无法进行。

为了测定瓦斯抽采前后煤体的强度，利用WQCZ-56型围岩强度原位测试装置分别对4302工作面和4303工作面煤体进行原位强度测试。4302工作面由于抽采时间长、抽采强度高，煤体极其破碎，测试结果为抽采后煤体强度；4303工作面处于准备阶段，未进行抽采，煤体结构较为完整，测试结果为抽采前煤体强度。

图1　煤体结构窥视

强度测试结果为4303工作面煤体强度在14.53~15.21MPa之间，4个测站的煤体强度平均值为14.77MPa；4302工作面煤体强度在11.02~12.91MPa之间，4个测站的煤体强度平均值为11.72MPa。从测试结果可看出，煤体强度受瓦斯抽采的影响较大，抽采后煤体强度值降低20%。通过拉拔试验检测2个工作面煤体的锚固力，4302工作面的锚固力最低值为159kN，最高值为207kN，平均值为178.6kN；4303工作面的锚固力最低值为178kN，最高值为211kN，平均值为196kN。从测试结果来看，瓦斯抽采后的煤体锚固力比抽采前降低8.85%。

瓦斯抽采使煤体强度降低的原因主要是高瓦斯煤层在进行瓦斯抽采过程中，在压力梯度作用下，大量的瓦斯从煤体中解吸，经渗流从煤体的裂隙通道中抽出，随着煤体中瓦斯含量的降低，孔隙压力下降，煤体硬度降低。但由于原有的高瓦斯压力造成的裂隙不会消失，导致煤体的整体性较差，煤体比抽采之前更为破碎。煤体结构破碎使煤体强度降低，力学性能劣化，导致煤体锚固性能降低，出现锚固效果差及支护失效现象。

1.2　地应力的影响

地应力是造成煤岩体结构发育的动力，当应力状态达到或超过煤岩体强度时，就会产生破裂，进而在煤岩体内形成结构面。这一改造作用的特点是范围大、时间长、次数多，改造后的煤岩体变为断层、节理纵横交错的多裂隙煤岩体。

运用水压致裂法分别对寺河矿东、西2个井区3号煤层(盖山厚度在400m左右，西井区埋深较东井区要大)的地应力进行了原位测试。根据测试结果，东井区最大水平主应力最大为12.05MPa，最小水平主应力最大为6.25MPa，垂直应力为10.73MPa；西井区最大水平主应力最大为17.89MPa，最小水平主应力最大为9.45MPa，垂直主应力为13.76MPa。

结果显示3号煤应力场类型总体上为σH>σV>σh，从量级上看东、西井区地应力水平均属于中等应力值，西区较东区要高。地应力以水平应力为主，应力方向总体上以东西方向为主。根据井下矿压监测结果，南北向布置的工作面两巷(与最大水平主应力近似垂直或呈大角度)围岩变形量大，两帮收敛超过1m，底鼓量达到1.5m，围岩破坏严重，支护困难，西井区表现的更为明显；东西向布置的工作面两巷(与最大水平主应力近似平行或呈小角度) 巷道围岩应力状态得到明显改善。在同样巷道断面和支护参数的条件下，大部分巷道围岩变形小，破坏范围小，支护状况良好。可以看出，地应力大小和方向对巷道布置方向、围岩控制影响极大。

1.3　支护参数不合理

寺河矿西井区某些巷道使用的支护材料强度偏低，主要有：锚杆杆体为400号螺纹钢，直径为20mm；锚索为直径17.8mm，钢绞线为1×7股，抗拉强度级别为1720MPa；锚杆托板尺寸为120mm×120mm×8mm。这些支护材料破断强度、延伸率、冲击吸收功都很低，在高地应力、动压影响区域很难满足围岩大变形的要求[6-7]。

施工过程中锚杆的预紧扭矩一般在150～200N·m之间，预紧力过低导致锚杆主动支护作用不能充分发挥[8-9]。采用连续采煤机割煤，锚杆机进行支护的机械化掘进方式，循环进度按防突预测距离7m计算，正常情况下，工作面最大空顶距9m，最小空顶距2m。巷帮上面2根帮锚杆距迎头距离最大为11m，最小为4m；巷帮下面2根帮锚杆距迎头距离最大为16m，最小为9m。工作面空顶时间较长，支护不够及时，不利于对顶板离层的控制。空帮距离大，帮锚杆安装不能紧跟迎头，长时间的裸帮导致原本不完整的煤帮更加破碎，尤其在巷帮斜槎发育、容易片帮时，此现象表现的更为突出。

2井下试验

针对上述存在的问题，开展工作面两巷的支护参数优化研究，并在西井区二盘区首采面W2301进行工业试验。该工作面两巷掘进时围岩较破碎，有底鼓现象发生，支护难度较大。

2.1　生产地质条件

W2301沿3号煤层底板掘进，煤层埋藏深度平均为403m，厚度平均为6.24m，内生节理裂隙发育。直接顶为砂质泥岩和中粒砂岩，砂质泥岩平均厚度为4.16m，底部有0.2m泥岩。中粒砂岩平均厚度为3.4m，局部夹薄层砂质泥岩；基本顶为砂质泥岩，平均厚度为11.8m，局部含泥质较多；底板为砂质泥岩，强度较低。

2.2　支护参数优化设计

2.2.1确定原则

(1)支护设计确保支护安全，避免在服务期间进行维修或仅进行局部维修。

(2)支护参数和支护材料规格具有较好的适应性和施工可行性，由于井下巷道围岩条件变化很大，从支护合理性考虑，可能出现多种支护参数和支护材料规格，但这将不利于巷道施工和管理。所以，尽可能采用统一的支护参数和材料规格。

(3)支护设计要在保证支护质量的同时有利于提高巷道掘进速度。

(4)在满足前三项原则的前提下，做到经济合理。

2.2.2确定依据

(1)已掘巷道现有支护状况和矿压观测数据。

(2)W2301工作面详细的地质资料。

(3)现有科技成果和工程实践经验。

2.2.3支护参数确定

以W23013巷为例，考虑到巷道掘进过程中的设备尺寸、通风要求以及巷道围岩变形预留量，设计巷道矩形断面尺寸为宽度5m，高度3.8m，掘进断面积19m2。支护参数如下：

顶板支护锚杆采用BHRB500钢材，杆体为22号左旋无纵筋螺纹钢筋，长度2.4m。树脂加长锚固(型号MSZ2360，MSK2335的树脂锚固剂各1支)，锚杆排距1.0m，间距0.9m，预紧扭矩400N·m；锚索直径为22mm，长度7.3m。加长预应力锚固(2支型号MSZ2360，1支MSK2335的树脂锚固剂)，每隔2排锚杆在巷道正中间打设1根锚索，排距2.0m，锚索预紧力250kN；钢筋托梁规格为SB16-80-4600-6，采用规格为5.4m×1.1m的经纬网护顶。

巷帮支护锚杆型号、锚固方式与顶板相同，锚杆排距1.0m，间距1.0m，预紧扭矩400N·m；采用规格为280mm×400mm×4mm 的W钢护板、3.6m×1.1m的经纬网护帮。

W23013巷支护布置见图2。

图2　W23013巷锚杆支护布置

2.3　试验效果

采用十字布点法对巷道表面位移进行了监测，监测曲线如图3、图4所示。

图3　240m处表面位移监测曲线

图4　650m处表面位移监测曲线

掘进期间1号测站巷道两帮最大移近量为30mm，为初始巷道两帮宽度的0.6%，巷道顶底最大移近量为23mm，为巷道初始高度的0.6%，其中，巷道顶板下沉量为10mm，底鼓量为13mm，底鼓量占巷道顶底总移近量的56.5%；2号测站巷道两帮最大移近量为35mm，为初始巷道两帮宽度的0.7%，巷道顶底最大移近量为20mm，为巷道初始高度的0.52%，其中，巷道顶板下沉量为8mm，底鼓量为12mm，底鼓量占巷道顶底总移近量的60%。

从监测数据来看，回采期间W23013巷两帮最大位移量为131mm，顶底板最大移近量为108mm，顶板最大下沉量49mm。总体来看，回采期间巷道变形量不大，在控制范围之内。巷道围岩保持了较好的完整性，说明高预紧力锚杆锚索支护有效地控制了巷道围岩的变形。

3经济效益比较

经济效益分析不考虑巷道支护共有的支护材料，比如网片等，只考虑巷道支护中不同支护材料，比如锚杆、锚索以及树脂锚固剂数量，不考虑其他间接及客观支护成本。矿用支护材料单价如表1所示。

表1　矿用支护材料单价

原支护采用高强锚杆(排距0.8m)计算成本为1944.59元/m，优化后采用强力锚杆支护(排距1m)计算成本为1912.9元/m，支护成本每米相差31.69元。

采用强力锚杆锚索支护，使巷道支护状况较原高强锚杆支护得到了明显改善，大大减小了巷道维护工程量，降低了巷道维护费用，由此带来了可观的经济效益。

[参考文献]

[1]徐佑林.高瓦斯煤层锚固特性及瓦斯对巷道支护效果影响研究.北京：煤炭科学研究总院，2013.

[2]司林坡.全景钻孔窥视仪在水压致裂法地应力测试中的应用.煤矿开采，2011，16 (2)：97-101.

[3]康红普，司林坡，苏波.煤岩体钻孔结构观测方法及应用.煤炭学报，2010，35 (12)：1949-1956.

[4]司林坡，康红普.钻孔触探法围岩强度原位测试.煤矿开采，2006，11(4)：10-12.

[5]康红普，等.煤岩体地质力学原位测试及在围岩控制中的应用.北京：科学出版社，2013.

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

[7]康红普，王金华，林健.煤矿巷道锚杆支护应用实例分析.岩石力学与工程学报，2010，29(4)：649-664.

[8]康红普，姜铁明，高富强.预应力在锚杆支护中的作用 .煤炭学报，2007(12)：680-685.

[9]康红普，姜铁明，高富强.预应力锚杆支护参数的设计 .煤炭学报，2008(7)：721-726.

[10]张仰龙.新阳矿煤柱锚杆巷道支护技术应用.中国矿业，2012，21(10)：95-98.

[11]张丕林.关于煤柱锚杆巷道支护设计的应用.科技资讯，2012(18)：48-51.

[12]常建波.大断面复合顶板高预紧力超强锚网索组合支护技术实践.中国矿山工程，2011(4)：43-46.

[13]宋军.分层顺采复用巷道的一次支护设计优化.煤炭工程，2012(7)：36-38.

[责任编辑：姜鹏飞]