大采高機(jī)械化采煤工作面圍巖控制技術(shù)研究

胡鵬鵬

（山西蘭花同寶煤業(yè)有限公司， 山西 晉城 048214）

0 引言

煤炭是我國(guó)當(dāng)前生產(chǎn)生活中的主要能源，而且在未來(lái)很長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)其仍然在我國(guó)能源結(jié)構(gòu)中占據(jù)主導(dǎo)地位。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)賦存煤層的平均厚度較高，處于3.5～5.0 m 之間，屬于大采高的范疇。對(duì)于大采高機(jī)械化采煤工藝，其具有回采效率高、資源回收率高以及煤炭含矸率高等優(yōu)勢(shì)。為了滿足大采高的需求，結(jié)合安裝、運(yùn)輸、通風(fēng)以及形成等要求，需要在工作面配套大斷面的巷道，這對(duì)工作面巷道的支護(hù)要求提出了更高的要求。因此，對(duì)于大采高機(jī)械化采煤工作面，實(shí)現(xiàn)對(duì)其工作面圍巖的高效控制，對(duì)于保證其生產(chǎn)的安全性和效率具有重要意義。

1 工程概況

精確掌握大采高綜采工作面的地質(zhì)條件，通過(guò)設(shè)計(jì)高效的支護(hù)方案對(duì)工作面圍巖進(jìn)行控制具有重要意義。本文所研究某礦井可開(kāi)采的煤層包括有1 號(hào)、2號(hào)、10 號(hào)和11 號(hào)，本文以其中的2 號(hào)煤層所屬工作面為例開(kāi)展研究，該煤層所屬工作面的頂?shù)装鍡l件如表1 所示。

表1 2 號(hào)煤層所屬工作面頂?shù)装宓刭|(zhì)條件

對(duì)于工作面的支護(hù)效果而言，可直接通過(guò)對(duì)圍巖的穩(wěn)定性進(jìn)行評(píng)估反應(yīng)。根據(jù)《緩傾斜、傾斜煤層回采巷道圍巖穩(wěn)定性分類方案》中所規(guī)定的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求，可將圍巖穩(wěn)定性分為非常穩(wěn)定、穩(wěn)定、中等穩(wěn)定、不穩(wěn)定以及極不穩(wěn)定五種層級(jí)[1-2]。

而對(duì)于未支護(hù)的工作面圍巖穩(wěn)定性，需根據(jù)工作面實(shí)際地質(zhì)條件包括頂?shù)装鍘r石的單軸抗壓強(qiáng)度、巷道的埋藏深度、采動(dòng)影響系數(shù)以及圍巖完整性指數(shù)等指標(biāo)相關(guān)。經(jīng)分析，2 號(hào)煤層所屬工作面在未支護(hù)前其圍巖穩(wěn)定性屬于不穩(wěn)定狀態(tài)。因此，為了保證大采高機(jī)械化采煤工藝功能的發(fā)揮，應(yīng)采取有效的支護(hù)方案對(duì)其圍巖進(jìn)行控制，保證圍巖處于穩(wěn)定狀態(tài)[3]。

經(jīng)過(guò)多年我國(guó)煤炭系統(tǒng)工作面的專家和技術(shù)人員提出根據(jù)圍巖的穩(wěn)定性狀態(tài)提出不同級(jí)別的支護(hù)方案。對(duì)應(yīng)2 號(hào)煤層所屬工作面不穩(wěn)定的圍巖，主要采用錨桿+錨索聯(lián)合支護(hù)方案，并通過(guò)鋼帶和金屬網(wǎng)對(duì)圍巖進(jìn)行強(qiáng)化支護(hù)；而且，對(duì)于不穩(wěn)定圍巖其錨桿支護(hù)的參數(shù)需滿足表2 中的要求。

表2 不穩(wěn)定圍巖錨桿支護(hù)參數(shù)

2 巷道支護(hù)參數(shù)的確定

在上述分析的基礎(chǔ)上，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)條件、理論計(jì)算和設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)最終確定巷道的支護(hù)參數(shù)。首先，通過(guò)理論計(jì)算初步確定巷道支護(hù)參數(shù)的范圍；而后，通過(guò)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)最終確定巷道支護(hù)參數(shù)的具體值。

2.1 錨桿支護(hù)參數(shù)的確定

由上述研究可知，2 號(hào)煤層所屬工作面應(yīng)采用錨桿+錨索的聯(lián)合支護(hù)為核心。因此，本節(jié)重點(diǎn)對(duì)錨桿、錨索的參數(shù)進(jìn)行確定。

2.1.1 頂板錨桿參數(shù)

根據(jù)普氏地壓理論，結(jié)合2 號(hào)煤層所屬工作面的巷道跨度、高度以及煤層的內(nèi)摩擦角等參數(shù)得出其頂板的載荷為4.8 t。

1）錨桿間排距的確定：目前我國(guó)實(shí)踐生產(chǎn)的錨桿以直徑為22 mm 的左旋螺紋鋼為主，其對(duì)應(yīng)的錨固力為10 t。在上述頂板載荷的作用下，在頂板所布置錨桿的密度計(jì)算為（2×4.8 t）/10 t=0.96 根。因此，將頂板錨桿的間排距取值為1 m，確保頂板單位面積的錨桿數(shù)量≥1 根。

2）錨桿長(zhǎng)度的確定：錨桿長(zhǎng)度與工作面頂板的免壓拱高直接相關(guān)，而且與錨桿的外露長(zhǎng)度相關(guān)。該工作面頂板的免壓拱高為2 m，一般取錨桿外露長(zhǎng)度為0.3 m，考慮到0.1 m的余量，則對(duì)應(yīng)錨桿的長(zhǎng)度為2.4 m。

2.1.2 兩幫錨桿參數(shù)

同樣，根據(jù)普氏地壓理論得出該工作面兩幫的支護(hù)載荷為1.1 t，則經(jīng)過(guò)理論計(jì)算得出兩幫錨桿的間排距取1.2 m、1.2 m即可。根據(jù)兩幫錨固墻的厚度為0.9 m，并考慮錨固長(zhǎng)度和外露長(zhǎng)度，對(duì)應(yīng)錨桿長(zhǎng)度為1.8 m。

在上述理論計(jì)算的基礎(chǔ)上，結(jié)合設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)以及我國(guó)市面上錨桿產(chǎn)品的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格尺寸，最終確定的工作面頂板和兩幫錨桿支護(hù)參數(shù)如表3 所示。

表3 工作面頂板和兩幫錨桿支護(hù)參數(shù)

2.2 頂板錨索參數(shù)的初步確定

結(jié)合支護(hù)經(jīng)驗(yàn)可知，每排錨索的數(shù)量與工作面跨度直接相關(guān)，具體如表4 所示。

表4 不同跨度工作面錨索布置數(shù)量

2 號(hào)煤層所屬工作面的跨度為5.5 m。因此，確定頂板錨索布置為1 排2 根，則對(duì)應(yīng)的錨索間排距取值為1 m、2 m。根據(jù)該工作面頂板的巖層情況，需要將錨索固定在粉砂巖層中，初步確定錨索長(zhǎng)度為5 m。

結(jié)合我國(guó)錨索產(chǎn)品的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格，最終確定選用直徑為15.24 mm 的7 股鋼絞線作為錨索對(duì)頂板進(jìn)行支護(hù)。而且，結(jié)合支護(hù)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，為進(jìn)一步保證圍巖的穩(wěn)定性，還需在頂板和兩幫布置金屬網(wǎng)進(jìn)行強(qiáng)化支護(hù)。其中，在頂板布置金屬網(wǎng)的規(guī)格為5 m×1 m；在兩幫布置金屬網(wǎng)的規(guī)格為4 m×1.2 m。

3 巷道圍巖穩(wěn)定性監(jiān)測(cè)

為驗(yàn)證上述支護(hù)方案是否能夠?qū)ぷ髅骓敯鍑鷰r進(jìn)行有效控制，從而保證綜采工作面的安全生產(chǎn)，將上述支護(hù)方案按照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)在工作面現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施后，重點(diǎn)對(duì)支護(hù)后工作面巷道的表面位移和頂板的離層量進(jìn)行觀測(cè)，觀測(cè)結(jié)果如表5、表6 所示。

表5 巷道表面位移監(jiān)測(cè)結(jié)果

表6 頂板離層量

如表5 和表6 所示，對(duì)工作面采取所設(shè)計(jì)的支護(hù)方案后工作面頂板下沉量、兩幫移近量以及底鼓量均滿足《煤炭安全規(guī)程》的具體要求；而且，采取支護(hù)方案后工作面頂板的離層量可以忽略不計(jì)。說(shuō)明，所設(shè)計(jì)的支護(hù)方案可有效對(duì)工作面圍巖進(jìn)行有效支護(hù)。

4 結(jié)語(yǔ)

一直以來(lái)，煤礦安全生產(chǎn)備受企業(yè)關(guān)注。煤礦綜采工作面巷道的支護(hù)效果對(duì)于保證工作面圍巖的穩(wěn)定性尤為重要，尤其是對(duì)于大采高機(jī)械化開(kāi)采工藝而言，為充分發(fā)揮其高回采率、高煤炭資源回收率的優(yōu)勢(shì)，對(duì)其圍巖穩(wěn)定性的控制尤為重要。本文針對(duì)某礦2 號(hào)煤層所屬工作面圍巖的支護(hù)需求，采用錨桿+錨索聯(lián)合支護(hù)的基礎(chǔ)上采用金屬網(wǎng)進(jìn)行強(qiáng)化支護(hù)。通過(guò)實(shí)踐表明：結(jié)合理論和設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)所設(shè)計(jì)的支護(hù)方案可對(duì)圍巖穩(wěn)定性進(jìn)行有效支護(hù)。