盘道煤矿“三三一”支护技术的研究与应用

张宏斌

（忻州市煤矿安全生产监管检查组，山西 忻州 034000）

1 矿井概况

山西忻州原平龙矿盘道煤业有限公司位于原平市段家堡乡段家堡村东北2.5km处，宁武煤田轩岗矿区的东北部，批准矿井开采2～5号煤层，批采标高＋1 559.99～＋899.99m，生产规模为1.2Mt／a，矿井地处黄土高原，吕梁山北段东翼，属剥蚀侵蚀中山地貌类型，沟谷发育，地形切割剧烈。地势总体东高西低，最高点位于井田东北角，标高为＋1 685.1m，最低点位于井田南部沟谷，标高为＋1 281.2m，最大相对高差为403.9m。煤层位于太原组中上部，厚度变化较大，煤系地层主要由砂质泥岩或泥岩、中粒砂岩和煤组成，主要特点是：硬度f＝3～10，顶板完整，巷道开挖后，压力显现不明显，且顶板不易垮落。但因节理较为发育，滑面较多，自稳性差，承载能力小，易风化、潮解。

2 课题立项背景

煤炭市场一路下行，经济压力逐步加大，如何保证支护安全，提高支护强度，降低支护成本，这是摆在工程技术人员面前的煤巷支护的技术难点之一。盘道煤矿以往在煤巷掘进过程中使用锚杆支护墨守陈规，为了促进锚杆支护的改革，通过理论计算以及矿压在线监测系统分析和研究，对煤巷锚杆支护技术试验应用，并取得了成功。

现有的支护方式锚杆间距小，钻孔直径大，药卷直径大，造成职工劳动强度大、效率低、掘进成本高，为进一步优化支护形式，提高经济效益，在巷道支护上进行“三三一”（即三小三高一低：小孔径、小药卷、细锚杆、高强度、高刚度、高可靠性与低支护密度）支护技术的研究与应用，使“三三一”支护技术在提高巷道掘进速度、降低巷道掘进成本、改善巷道掘进工作面作业环境等方面取得显著效果，既提高了支护强度和单进水平，又大大减少了巷道支护费用的投入。

3 项目研究思路

经过支护改革项目组研究，决定在三采巷道进行“三三一”支护试验，并采用顶板动态设测点对巷道实时进行观测，通过不断的试验，积累各种经验，最后进行项目的总结、鉴定和优化支护形式，使“三三一”支护技术在该矿形成一套成熟的支护技术。

3.1 锚杆钻机的选择

由风动锚杆钻机取代煤电钻和液压钻机。由于风动锚杆钻机结构简单，不易损坏，故障率低，拆卸方便，维修保养简单，输出功率大，推进力大，能够降低劳动强度，提高工作效率。

3.2 功效情况

根据前期现场实际测算，使用小钻头，钻眼速度在2号煤（f＝2～3）中，钻眼速度可提高20%；在灰色泥岩岩（f＝4～6）中，钻眼速度可提高32%；在砂岩（f＝8～10）中，钻眼速度可提高50%以上。采用小直径钻头钻眼，能够提高单位时间内的钻眼速度，从而节省钻眼时间，减少用风量，有利于降低电耗。

提高了单进和工效，“三三一”技术能充分发挥钻眼速度快、循环打眼时间短的优势，在提高锚杆强度与刚度、保证支护系统可靠性的条件下，降低支护密度，减少单位面积上锚杆数量，提高掘进速度。

4 “三三一”支护技术研究

4.1 煤层顶底板岩性及构造形态（见表1）

表1 顶底板岩性特征表

煤层底板的整体起伏形态为北东向南西倾斜的单斜构造，局部伴有次级褶曲。从2号煤层底板等高线可以看出：区内底板标高在1 370m～980m之间，倾角11°～23°，最浅部分位于测区的北东部，标高1 370m，最深部分位于测区的南西部，标高为980m。

4.2 盘道煤业地层综合情况（见表2）

表2 煤层综合柱状表

5 支护技术理论依据

5.1 支护技术方案

经过支护改革项目组研究，在三采区巷道进行“三小三低一高”支护试验，并采用顶板动态设测点对巷道实时进行观测，通过不断的试验，积累各种经验，最后进行项目的总结、鉴定和优化支护形式，使“三小三高一低”支护技术在矿区形成一套成熟的支护技术。

5.2 试验巷道的技术条件

3201材料巷沿2号煤层顶板掘进，综掘机械化施工，巷道净高3.3m，净宽3.2m。2号煤层厚3.14～4.0m，平均3.5m，倾角14°，硬度f＝2.0～3.0，上分层主要为光亮型，偶见直径为0.1m的黄铁矿结核；下分层各种类型均有，且横向变化明显，为暗淡型和半暗淡型；直接顶为灰色泥页岩，厚1.0～1.5m，节理发育，f＝3～4；老顶为灰白色K2砂岩，厚6.0m，裂隙发育，含方解石、长石及黑色矿物，岩石硬度f＝5～6；直接底为灰白色泥岩，厚2.55m，较为坚硬，下边为4.1m厚的灰色砂质泥岩，裂隙发育。

5.3 矿压观测依据

为了确保“三三一”支护形式对顶板维护的可靠性，在掘进的同时，采用目前较为先进的KJ216型顶板动态在线监测系统对巷道进行了表面位移、顶板离层等综合矿压观测，为调整、优化支护参数提供了依据。

5.4 “三三一”支护依据

按悬吊理论计算锚杆参数。

1）锚杆长度计算。

式中：L为锚杆长度，m；H为冒落高度，m；K为安全系数，一般取K＝2；L1为锚杆锚入稳定岩层的深度，一般按经验取0.5m；L2为锚杆在巷道中的外露长度，一般取0.1m。

施工过程中，锚杆长度取1.5m。

2）锚杆直径计算。

式中：D为锚杆直径，m；L为锚杆长度，m；D＝1.5÷110＝0.013 6m

施工时选择锚杆直径为0.016m。

3）锚杆间排距及锚杆直径计算。

式中：a为锚杆间排距，m；Q为锚杆设计，锚固力分别为：直径16mm锚杆50kN／根，直径18mm锚杆70kN／根；H为冒落拱高度，取1.25m；r为被悬吊砂岩的重力密度，取19.992kN／m3；K为安全系数，一般取K＝2。

根据现场实际测算，采用小钻头小钻杆钻眼速度在2号煤（f＝2～3）中，钻眼速度可提高20%；在灰色泥岩（f＝4～6）中，钻眼速度可提高32%；在砂岩（f＝8～10）中，钻眼速度可提高50%以上。采用小直径钻头钻眼，能够提高单位时间内的钻眼速度，从而节省钻眼时间，减少用风量，有利于降低电耗。

5.5 支护效果及观测结果分析

为开展矿压观测工作，指导矿井采掘活动，委托山东省尤洛卡自动化装备股份有限公司安装了KJ216顶板动态在线监测矿压观测系统。该系统是一套专业用于矿井矿压综合在线实时监测系统，同时集成了专业化矿压监测理论和方法，实现了矿压监测的数字化和网络化。系统于2013年5月份开始运行工作至今，基本查明了盘道煤业一、三采区矿压显现规律；通过观测获得的数据资料和数据分析，较全面总结了盘道煤业的矿压显现规律，为采掘工作面支护设计提供了较为可靠的参数依据。通过一年的持续观测记录，采用“三三一”支护的巷道顶板离层传感器数值没有明显波动，没有发生离层现象。表面位移观测的结果为顶板下沉25mm，两帮移近8mm和6mm，在巷道掘出约15d后，基本趋于稳定，相比原支护方式对比，顶板下沉量和两帮移近明显减小，说明此种支护合理。从观测到的锚杆受力情况看，都发挥了积极作用，提高了围岩整体性能，有效阻止了锚杆锚固范围的顶板离层和煤壁片帮。

6 研究结论

根据巷道压力显现规律，我们对支护工艺参数不断进行优化，对施工工艺不断改进，“三三一”技术能充分发挥钻眼速度快、循环打眼时间短的优势，在提高锚杆强度与刚度、保证支护系统可靠性的条件下，降低支护密度，减少单位面积上锚杆数量，提高了单进和工效。每米降低材料、人工、电耗等成本约370元，年降低支护成本近300万元。通过不断地进行支护研究试验，并采用顶板动态设测点对巷道实时进行观测，认为“三三一”支护技术切实可行，在提高巷道掘进单进、降低支护成本、改善巷道掘进工作面作业环境等方面取得了显著效果，提高了支护强度和单进水平，大大减少了巷道支护费用的投入，使“三三一”支护技术日趋成熟。

试验是成功的，突出优点表现在降低了劳动强度，提高了效率；巷道维护效果好；节省大量材料，节支降耗效果显著，安全可靠性大。