14307 工作面4 号煤正巷和切眼支护优化设计研究

吴文鹏

（西山煤电集团有限责任公司西曲矿，山西 太原 030200）

1 工程概况

西曲矿4 号煤层14307 工作面地面位于原港立村，盖山厚度约125～245 m。工作面沿4 号煤层施工，煤层厚度较稳定，平均3.05 m，倾角平均3°。该区域4 号煤与2.3 号煤层间距为3.1～7.4 m 且厚度不稳定，属近距离煤层，顶板管理困难。

14307 工作面正巷设计采用沿空留巷方案，使用高水充填材料将其中356 m 的正巷保留下来，作为14306 工作面正巷使用。通过沿空留巷，预计可增加煤量3 万t，减少掘进巷道工程量490 m。

2 近距离煤层带来的支护困难

由于4 号煤与2.3 号煤层间距较小，且不稳定，因此，需要对14307 工作面正巷在掘进施工过程中的顶板情况进行详细分析，并根据具体情况采用差异化支护方案。具体各段的情况如下：

（1）14307 工作面正巷开口施工0～100 m 段，上覆2.3 号煤小窑巷道及煤柱，受煤柱影响压力显现明显。

（2）14307 工作面正巷开口施工100～470 m 段，上覆12312 工作面采空区，巷道顶帮稳定，无明显压力显现。

（3）14307 工作面正巷开口施工470～968 m 段，下伏18305 工作采空区，层间距约50 m，需注意加强支护。其中：① 2.3 号煤煤柱影响段：正巷开口510～580 m 段在2.3 煤煤柱下施工。受煤柱及蹬空影响，围岩压力增大。② 上覆2.3 号煤采空区段：正巷开口470～510 m、580～734 m 段上覆12312、12318 工作面采空区，下伏18305 工作面蹬空区。③ 层间距薄影响区：正巷开口734～968 m，段该区域2.3 煤与4 煤层间距为3.1～3.6 m。

（4）14307 工作面切眼开口0～85 m 段，2.3 煤与4 煤层间距为3.2～3.5 m，且煤层受夹矸影响，夹矸厚度约1 m 不足以保留。

（5）14307 工作面切眼开口85～186 m 段，夹矸变厚为1.9 m，夹矸上部煤线厚度0.3 m，下部4号煤煤厚2.2 m。

3 支护工艺适应性分析

由于4 号煤层顶板为粉砂岩，且与上覆2.3 号煤层的层间距较小，所以4 号煤掘进工作面自建矿以来支护方式均采用铁棚+锚杆+锚索联合支护。该支护方式存在施工效率低、支护工序复杂、材料单价高、劳动强度大、回收价值低等缺点，并且架棚作为被动支护方式，安全系数低，易发生顶板冒漏情况，急需对支护进行优化。

2020 年，14305 工作面采用沿空留巷方案，基于4 号煤层围岩力学性质对14305 工作面正巷支护工艺进行了相应的调整，采用短锚索+长锚索+钢筋梯梁+钢筋网联合支护方式[1-3]，取消了架棚支护。根据14305 工作面回采期间矿压监测分析及现场观测分析，支护效果较理想。

针对14307 工作面4 号煤层实际情况和特点，在14305 工作面正巷支护方案的基础上，对14307工作面正巷和切眼支护工艺进行进一步优化，以达到降低支护成本、提高巷道掘进效率、降低劳动强度、安全高效开采的目的。

4 “一段一策”支护优化设计方案

结合14307 工作面4 号煤层特点和巷道实际变化情况，对14307工作面正巷和切眼采用“一段一策”支护理念，及时调整各段巷道支护优化形式，确保各段支护科学合理、掘进高效、安全可靠。

4.1 上覆小窑巷道及煤柱影响段（0～100 m）

上覆小窑巷道及煤柱影响段断面与支护如图1，巷道断面为矩形，宽×高为4 m×3 m，掘断面积12 m2，净断面积11.02 m2，支护采用锚杆+锚索+钢筋梯梁+钢筋网。

图1 上覆小窑巷道及煤柱影响段断面与支护图（mm）

顶锚杆矩形布置，每排打设5 根，间排距850 mm×1000 mm，钢筋梯梁长3600 mm。顶锚索间排距2000 mm×2000 mm，顶板铺设1200 mm×3600 mm 钢筋网。顶锚杆规格：Φ20 mm×2400 mm 螺纹钢锚杆；锚索规格：Φ21.6 mm×4200 mm 钢绞线。

帮锚杆矩形布置，间排距1000 mm×1000 mm，每排布置3 根，第一排距顶300 mm。帮锚杆规格：Φ20 mm×1800 mm 无纵肋螺纹钢锚杆。两帮挂设2.2 m 长钢筋梯梁，滚帮大时挂设2.3 m×4.0 m 铁丝网。

其中，14307 工作面正巷开口50 ～70 m 段受12312 工作面采空区煤柱影响，巷道不同程度发生变形，顶锚索更改为五花形布置，间排距2000 mm×1000 mm。

4.2 上覆2.3号煤采空区沿空留巷段（100～470 m）

上覆2.3 号煤采空区沿空留巷段断面与支护如图2。巷道断面为矩形，宽×高为4.4 m×3.0 m，掘断面积12.3 m2，净断面积12.18 m2，支护采用短锚索+长锚索+钢筋梯梁+钢筋网。

图2 上覆2.3 号煤采空区沿空留巷段断面与支护图（mm）

短锚索参数：顶板短锚索间排距1200 mm×1000 mm，每排4 根，规格为Φ17.8 mm×2600 mm 钢绞线，采用钢筋梯梁联结为一体，梯梁长3900 m。顶板铺设1200 mm×3900 mm 钢筋网。

长锚索参数：顶板正中打设1 根长锚索，排距为2.0 m，规格为Φ21.6 mm×4200 mm 钢绞线。

帮锚杆矩形布置，间排距1000 mm×1000 mm，每排布置3 根，第一排距顶板300 mm。帮锚杆规格：Φ20 mm×1800 mm 无纵肋螺纹钢锚杆，两帮挂设2.3 m×4.0 m 铁丝网。

4.3 下伏8 号煤蹬空区段（470～968 m）

下伏8 号煤蹬空区段断面与支护如图3。巷道断面为梯形，支护采用铁棚+锚索联合支护。铁棚采用矿用11#工字钢，棚梁长度3.5 m，棚腿长度3.2 m，棚距1.1 m，柱窝深度150 mm。锚索呈矩形布置，每架棚子间打设3 根，间排距1.0 m×1.1 m，锚索规格为Φ17.8 mm×2600 mm 钢绞线。在巷道正中打设1 根SKZ22-1/1860 中空注浆锚索，长度4.3 m，排距2.2 m。锚索位置重合时，注浆锚索代替普通锚索。

图3 下伏8 号煤蹬空区段断面与支护图（mm）

（1）2.3 号煤煤柱影响段：正巷开口510～580 m 段上覆2.3 煤采空区煤柱。棚距缩小为0.9 m，顶锚索间排距1.0 m×0.9 m，注浆锚索排距1.8 m。两帮打设帮锚索加强支护，在距顶板1.2 m 处打设一根帮锚索，排距1.8 m，帮锚索规格：Φ21.6 mm×4200 mm 钢绞线。

（2）上覆2.3 号煤采空区段：正巷开口580～734 m 段上覆12318 工作面采空区。棚距调整为1.0 m，顶锚索间排距1.0 m×1.0 m，注浆锚索排距2.0 m。

（3）层间距薄影响区：正巷开口734～968 m段层间距为3.1～3.6 m。将原巷道支护中的注浆锚索调整为Φ21.6 mm×3200 mm 普通锚索。

4.4 切眼架棚段（0～85 m）

切眼架棚段断面与支护如图4。巷道断面为梯形，支护采用铁棚+锚索联合支护。铁棚采用矿用11#工字钢，棚梁长度3.5 m，棚腿长度3.2 m，棚距1.0 m，柱窝深度150 mm。锚索呈矩形布置，每架棚子间打设4 根，间排距0.9 m×1.0 m。锚索规格：层间距＞4 m 时，采用Φ21.6 mm×4200 mm 钢绞线；层间距在3～4 m 时，采用Φ21.6 mm×3200 mm 钢绞线；层间距在2.5～3 m 时，采用Φ21.6 mm×2600 mm 的钢绞线。

图4 切眼架棚段断面与支护图（mm）

4.5 切眼夹矸变厚纯锚段（85～186 m）

切眼夹矸变厚纯锚段断面与支护如图5。巷道夹矸变厚为1.9 m，托夹矸施工，层间距变为5.7～5.9 m。巷道断面为矩形，宽×高为4.4 m×3.0 m，掘断面积为13.2 m2，净断面积为12.18 m2。支护采用锚杆+锚索+钢筋梯梁+钢筋网。

图5 切眼夹矸变厚纯锚段断面与支护图（mm）

顶锚杆矩形布置，每排打设5 根，间排距为950 mm×1000 mm。 钢 筋 梯 梁 长4000 mm。顶锚索间排距2000 mm×2000 mm，顶板铺设1200 mm×4100 mm 钢筋网。顶锚杆规格为Φ20 mm×2400mm 螺纹钢锚杆，锚索规格为Φ21.6 mm×4600 mm 钢绞线。

帮锚杆矩形布置，间排距1000 mm×1000 mm，每排布置3 根，第一排距顶300 mm。帮锚杆规格为Φ20 mm×1800 mm 螺纹钢锚杆，两帮挂设2.3 m×4.0 m 铁丝网。

5 支护优化设计效果及效益分析

5.1 支护优化设计效果分析

对14307 工作面4 号煤正巷和切眼的支护进行了优化设计，支护优化设计方案施工结束后，采用十字交叉法观察巷道顶底板及两帮移近量。第1 个月的监测，巷道变形量不明显，2 个月后巷道拱肩部出现细微裂隙，3 个月后变形趋于稳定。监测期间，顶板最大移近量46 mm，两帮最大移近量30 mm，均在允许范围。这表明支护优化方案能有效地控制14307 工作面正巷和切眼的变形，保障巷道的安全。

5.2 效益分析

对14307 工作面4 号煤支护优化前后日进尺、劳动组织、主材成本进行比较分析。对比原4 号煤架棚支护方案，优化设计后，日均进尺从9.6 m 提高到12 m；工作人员从7 人减少为5 人，仅需要掘进机司机1 人，顶板支护2 人，两帮支护1 人；主要成本从2 157.7 元/m 降低到1 711.9 元/m，14307工作面正巷、切眼可节省支护材料成本约50 万元，经济效益显著。