大采高机械化采煤工作面围岩控制技术研究

胡鹏鹏

（山西兰花同宝煤业有限公司， 山西 晋城 048214）

0 引言

煤炭是我国当前生产生活中的主要能源，而且在未来很长时间内其仍然在我国能源结构中占据主导地位。据统计，我国赋存煤层的平均厚度较高，处于3.5～5.0 m 之间，属于大采高的范畴。对于大采高机械化采煤工艺，其具有回采效率高、资源回收率高以及煤炭含矸率高等优势。为了满足大采高的需求，结合安装、运输、通风以及形成等要求，需要在工作面配套大断面的巷道，这对工作面巷道的支护要求提出了更高的要求。因此，对于大采高机械化采煤工作面，实现对其工作面围岩的高效控制，对于保证其生产的安全性和效率具有重要意义。

1 工程概况

精确掌握大采高综采工作面的地质条件，通过设计高效的支护方案对工作面围岩进行控制具有重要意义。本文所研究某矿井可开采的煤层包括有1 号、2号、10 号和11 号，本文以其中的2 号煤层所属工作面为例开展研究，该煤层所属工作面的顶底板条件如表1 所示。

表1 2 号煤层所属工作面顶底板地质条件

对于工作面的支护效果而言，可直接通过对围岩的稳定性进行评估反应。根据《缓倾斜、倾斜煤层回采巷道围岩稳定性分类方案》中所规定的相关标准要求，可将围岩稳定性分为非常稳定、稳定、中等稳定、不稳定以及极不稳定五种层级[1-2]。

而对于未支护的工作面围岩稳定性，需根据工作面实际地质条件包括顶底板岩石的单轴抗压强度、巷道的埋藏深度、采动影响系数以及围岩完整性指数等指标相关。经分析，2 号煤层所属工作面在未支护前其围岩稳定性属于不稳定状态。因此，为了保证大采高机械化采煤工艺功能的发挥，应采取有效的支护方案对其围岩进行控制，保证围岩处于稳定状态[3]。

经过多年我国煤炭系统工作面的专家和技术人员提出根据围岩的稳定性状态提出不同级别的支护方案。对应2 号煤层所属工作面不稳定的围岩，主要采用锚杆+锚索联合支护方案，并通过钢带和金属网对围岩进行强化支护；而且，对于不稳定围岩其锚杆支护的参数需满足表2 中的要求。

表2 不稳定围岩锚杆支护参数

2 巷道支护参数的确定

在上述分析的基础上，结合现场地质条件、理论计算和设计经验最终确定巷道的支护参数。首先，通过理论计算初步确定巷道支护参数的范围；而后，通过实践经验最终确定巷道支护参数的具体值。

2.1 锚杆支护参数的确定

由上述研究可知，2 号煤层所属工作面应采用锚杆+锚索的联合支护为核心。因此，本节重点对锚杆、锚索的参数进行确定。

2.1.1 顶板锚杆参数

根据普氏地压理论，结合2 号煤层所属工作面的巷道跨度、高度以及煤层的内摩擦角等参数得出其顶板的载荷为4.8 t。

1）锚杆间排距的确定：目前我国实践生产的锚杆以直径为22 mm 的左旋螺纹钢为主，其对应的锚固力为10 t。在上述顶板载荷的作用下，在顶板所布置锚杆的密度计算为（2×4.8 t）/10 t=0.96 根。因此，将顶板锚杆的间排距取值为1 m，确保顶板单位面积的锚杆数量≥1 根。

2）锚杆长度的确定：锚杆长度与工作面顶板的免压拱高直接相关，而且与锚杆的外露长度相关。该工作面顶板的免压拱高为2 m，一般取锚杆外露长度为0.3 m，考虑到0.1 m的余量，则对应锚杆的长度为2.4 m。

2.1.2 两帮锚杆参数

同样，根据普氏地压理论得出该工作面两帮的支护载荷为1.1 t，则经过理论计算得出两帮锚杆的间排距取1.2 m、1.2 m即可。根据两帮锚固墙的厚度为0.9 m，并考虑锚固长度和外露长度，对应锚杆长度为1.8 m。

在上述理论计算的基础上，结合设计经验以及我国市面上锚杆产品的标准规格尺寸，最终确定的工作面顶板和两帮锚杆支护参数如表3 所示。

表3 工作面顶板和两帮锚杆支护参数

2.2 顶板锚索参数的初步确定

结合支护经验可知，每排锚索的数量与工作面跨度直接相关，具体如表4 所示。

表4 不同跨度工作面锚索布置数量

2 号煤层所属工作面的跨度为5.5 m。因此，确定顶板锚索布置为1 排2 根，则对应的锚索间排距取值为1 m、2 m。根据该工作面顶板的岩层情况，需要将锚索固定在粉砂岩层中，初步确定锚索长度为5 m。

结合我国锚索产品的标准规格，最终确定选用直径为15.24 mm 的7 股钢绞线作为锚索对顶板进行支护。而且，结合支护设计经验，为进一步保证围岩的稳定性，还需在顶板和两帮布置金属网进行强化支护。其中，在顶板布置金属网的规格为5 m×1 m；在两帮布置金属网的规格为4 m×1.2 m。

3 巷道围岩稳定性监测

为验证上述支护方案是否能够对工作面顶板围岩进行有效控制，从而保证综采工作面的安全生产，将上述支护方案按照相关标准在工作面现场实施后，重点对支护后工作面巷道的表面位移和顶板的离层量进行观测，观测结果如表5、表6 所示。

表5 巷道表面位移监测结果

表6 顶板离层量

如表5 和表6 所示，对工作面采取所设计的支护方案后工作面顶板下沉量、两帮移近量以及底鼓量均满足《煤炭安全规程》的具体要求；而且，采取支护方案后工作面顶板的离层量可以忽略不计。说明，所设计的支护方案可有效对工作面围岩进行有效支护。

4 结语

一直以来，煤矿安全生产备受企业关注。煤矿综采工作面巷道的支护效果对于保证工作面围岩的稳定性尤为重要，尤其是对于大采高机械化开采工艺而言，为充分发挥其高回采率、高煤炭资源回收率的优势，对其围岩稳定性的控制尤为重要。本文针对某矿2 号煤层所属工作面围岩的支护需求，采用锚杆+锚索联合支护的基础上采用金属网进行强化支护。通过实践表明：结合理论和设计经验所设计的支护方案可对围岩稳定性进行有效支护。