慈林山煤矿薄煤层坚硬顶板支护优化设计

薛凯宏，张 蒙，贺行行，葛帅帅，曹 栩，吴晓刚

(运城职业技术学院， 山西 运城 044000)



·试验研究·

慈林山煤矿薄煤层坚硬顶板支护优化设计

薛凯宏，张 蒙，贺行行，葛帅帅，曹 栩，吴晓刚

(运城职业技术学院， 山西 运城 044000)

在煤层赋存条件较好，巷道围岩自承能力强的条件下，对巷道支护方案进行合理的优化不仅可以保证安全生产和施工进度，而且还能带来很好的经济效益。本文以潞安集团慈林山煤矿9103工作面回采巷道为试验巷道，利用数值模拟的研究手段，优化其锚杆锚索支护参数并应用于现场，取得了良好的效果。

薄煤层；坚硬顶板；支护优化；数值模拟

1 试验巷道生产地质条件

慈林山煤矿主采9#煤层，平均煤层厚度1.2 m，埋深200 m. 试验巷道为9103工作面回风巷及运输巷，其中回风巷邻近9101工作面采空区，运输巷两侧均为实煤体；运输巷和回风巷断面形式均为矩形，巷道尺寸分别为净宽4.3 m、净高2.2 m以及净宽3.6 m、净高2.2 m，两巷道掘进均采用破底掘进方式进行。煤层直接顶为1.1 m泥质灰岩，质坚硬，基本顶为中粒砂岩，底板为细粒砂岩。巷道布置平面图见图1.

图1 巷道布置平面图

2 巷道原支护方式及参数

2.1 回风巷原支护方式及参数

1) 支护形式及参数。

回风巷的支护形式为锚网支护，采用三花布置，间排距为800 mm×800 mm；锚杆施工锚固力在64 kN以上，采用d6 mm钢筋焊网，钢筋网规格：1 000 mm×2 000 mm，网格间距：100 mm×100 mm，搭接长度100 mm.

2) 支护材料。

采用PHR335螺纹钢锚杆，锚杆规格：d18 mm×L1 900 mm

采用Q235锚托板，规格：150 mm×150 mm×8 mm

采用树脂锚固剂，树脂锚固剂规格：MSK2335、MSZ2340每根锚杆各一卷

采用d6 mm钢筋焊网，钢筋网规格：1 000 mm×2 000 mm，网格间距：100 mm×100 mm

2.2 运输巷原支护方式及参数

1) 支护形式及参数。

运输巷的支护形式为锚、网、梁、索联合支护，顶板和北帮锚杆型号一致，规格为d20 mm×L2 000 mm的PHR335螺纹钢锚杆；煤壁南帮采用d18 mm×L2 000 mm的玻璃钢锚杆进行支护，锚杆锚固力64 kN以上，间、排距为800 mm×800 mm；利用规格为d17.8 mm×L6 300 mm的锚索对顶板补强，排距2 400 mm，居中布置，锚索锚固力100 kN.

2) 支护材料。

玻璃钢锚杆参数：d18 mm×L2 000 mm

PHR335螺纹钢锚杆参数：d20 mm×L2 200 mm、d20 mm×L2000 mm

Q235锚托板参数：150 mm×150 mm×8 mm

锚索钢绞线参数：d17.8 mm×L6 300 mm 1860级钢绞线

锚索构件参数：锚索配套采用300 mm×300 mm×16 mm托板及配套锁具紧固锚索

树脂锚固剂参数：MSK2335、MSZ2360

d6 mm钢筋焊网、钢筋网参数：1 000 mm×2 000 mm，网格间距：100 mm×100 mm

梯子梁规格参数：d14 mm圆钢焊成4 300 mm×70 mm、2 000 mm×70 mm

3 回风巷支护参数设计

利用数值模拟的方法对不同支护参数条件下的围岩变形量进行模拟计算，根据9103工作面的地质条件建立物理模型，见图2.

图2 物理模型图

1) 预紧力的确定。

为了对9103工作面回风巷锚杆支护确定合理的预紧力，利用数值模拟，分别计算10 kN、20 kN、30 kN和40 kN不同预紧力情况下巷道围岩变形和应力变化情况，并进行对比分析。数值模拟设置锚杆间排距为1 000 mm×1 200 mm，锚杆参数为d20 mm×L2 200 mm；锚索参数为d18.9 mm×L5 300 mm，布置方式排距3 600 mm，每排1根，布置于巷道中央。不同预紧力下围岩表面位移数据见表1. 从表1可以看出，预紧力为30 kN时，能有效地控制围岩变形。

表1 不同预紧力下围岩表面位移表

2) 锚杆直径的确定。

我国井巷锚杆施工钻机的常用孔径为28 mm，相应的锚杆直径为18～24 mm，综合考虑施工机具因素，将顶板以及两帮锚杆直径设定为20 mm，既能满足节约材料、高锚固力的要求，又能方便施工。

3) 锚杆长度的确定。

在进行数值模拟时，锚杆布置间排距为1 000 mm×1 200 mm，锚杆d20 mm；锚索参数为d18.9 mm×L5 300 mm，布置方式排距3 600 mm，每排1根，布置于巷道中央，锚杆预紧力设定为30 kN. 为了研究锚杆长度对巷道支护的影响，分别对1.8 m、2.0 m、2.2 m、2.4 m、2.6 m规格的锚杆进行数值模拟，结果见表2. 结合模拟结果，考虑安全、经济和施工等因素，最终确定9103工作面回风巷顶板锚杆长度为2.2 m.

表2 锚杆长度对围岩表面位移的影响表

4) 锚杆间排距的确定。

在已经确定锚杆直径20 mm，长度2.2 m条件下，考虑到现场实际生产情况，采用800 mm×800 mm、1 000 mm×1 000 mm、1 000 mm×1 200 mm、1 200 mm×1200 mm 4种不同间排距方案进行比较，不同锚杆排距与巷道围岩变形的关系见表3. 最终确定顶板锚杆间排距为1 000 mm×1 200 mm.

表3 锚杆间距对围岩表面位移的影响表

5) 锚索支护参数确定。

考虑煤层顶板分层状况及9101工作面实际支护效果，决定选用d18.9 mm，L5 300 mm钢绞线。在已经确定锚杆支护参数的条件下，对锚索间排距进行模拟计算，不同帮锚杆间距与巷道围岩变形的关系见表4. 最终确定选用方案二，即锚索排距3 600 mm，每排1根，布置于巷道中央。

表4 锚索间距对围岩表面位移的影响表

4 运输巷支护参数设计

类比回风巷支护参数设计方法，运输巷的支护参数为：锚杆直径20 mm，长度为2.2 m，间排距1 000 mm×1 200 mm，锚索每隔3.6 m打1排，每排1根，布置于巷道顶板中央，垂直布置。

5 工业性试验

5.1 9103回风巷支护参数

1) 顶板：锚杆采用HRB335螺纹钢，直径为20 mm，长度2 200 mm，间排距1 000 mm×1 200 mm，配合铺设金属网和钢筋梯子梁；每根锚杆采用两支树脂药卷锚固，1支为MSK2335，另1支为MSZ2360；锚索布置于巷道中央，每根长度5 300 mm，直径18.9 mm的小孔径预应力锚索，排距3 600 mm，每排1根，每根锚索采用3支树脂药卷锚固，1支为MSK2335，另2支为MSZ2360，每根锚索采用的托盘为Q235碟形钢板，规格为300 mm×300 mm×16 mm，相应配套调心球垫、锁具。

2) 实体煤帮：锚杆采用HRB335螺纹钢，直径20 mm、长度2 200 mm，间排距800 mm×1 200 mm，配合铺设金属网和钢筋梯子梁；每根锚杆采用两支树脂药卷锚固，1支为MSK2335，另1支为MSZ2360.

3) 开采煤帮：锚杆采用玻璃钢锚杆，直径18 mm，长度2 000 mm，间排距800 mm×1 200 mm，配合铺设金属网和钢筋梯子梁，每根锚杆采用两支树脂药卷锚固，1支为MSK2335，另1支为MSZ2360.每根锚杆配套使用树脂减摩垫圈、半球形垫圈、高强螺帽、金属垫圈、规格为150 mm×150mm×10 mm碟型Q235钢板托盘。

5.2 9103工作面运输巷锚杆锚索支护参数

1) 顶板：锚杆采用HRB335螺纹钢，直径为20 mm，长度2 200 mm，间排距1 000 mm×1 200 mm，配合铺设金属网和钢筋梯子梁；每根锚杆采用两支树脂药卷锚固，1支为MSK2335，另1支为MSZ2360；锚索布置于巷道中央，每根长度5 300 mm，直径18.9 mm的小孔径预应力锚索，排距3 600 mm，每排1根，每根锚索采用3支树脂药卷锚固，1支为MSK2335，另2支为MSZ2360，每根锚索采用的托盘为Q235碟形钢板，规格为300 mm×300 mm×16 mm，相应配套调心球垫、锁具。

2) 实体煤帮：锚杆采用HRB335螺纹钢，直径20 mm、长度2 200 mm，间排距800 mm×1 200 mm，配合铺设金属网和钢筋梯子梁；每根锚杆采用2支树脂药卷锚固，1支为MSK2335，另1支为MSZ2360.

3) 开采煤帮：锚杆采用玻璃钢锚杆，直径18 mm，长度2 000 mm，间排距800 mm×1 200 mm，配合铺设金属网和钢筋梯子梁，每根锚杆采用2支树脂药卷锚固，1支为MSK2335，另1支为MSZ2360. 每根锚杆配套使用树脂减摩垫圈、半球形垫圈、高强螺帽、金属垫圈、规格为150 mm×150 mm×10 mm碟型Q235钢板托盘。

5.3 支护优化设计效果分析

通过现场对两巷道50 d的矿压观测发现，优化后的支护强度能够满足安全生产要求，两巷道最大围岩变形量不超过200 mm，设计优化方案取得了成功。

6 结 论

1) 慈林山煤矿煤层赋存条件好，顶板坚硬，可以对支护参数进行合理的优化。

2) 慈林山煤矿通过支护优化设计后，施工进度得到提高，支护成本减少50%左右。

3) 合理的支护优化设计可以保证安全生产的同时，大大提高经济效益。

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Optimized Design of Hard Roof Support in Thin Coal Seam in Cilinshan Coalmine

XUE Kaihong, ZHANG Meng, HE Xingxing, GE Shuaishuai, CAO Xu, WU Xiaogang

Under the conditions of Geologically being good with strong bearing for roadway surrounding rock, the reasonable optimization of roadway support scheme can not only ensure the safety production and construction progress, but also bring good economic benefits. In this paper, No.9103 workface in Cilinshan Coalmine of Lu'an Group is decided as a experimental site. By means of numerical simulation, the bolt and cable support parameters are optimized and applied with satisfied results are obtained.

Thin coal seam; Hard roof; Support optimization; Numerical simulation

2016-06-12

薛凯宏(1985—)，男，山西吕梁人，2014年毕业于中国矿业大学，研究生，高级工程师，主要从事矿山地质及矿山支护研究工作(E-mail)78696101@qq.com

TD353

A

1672-0652(2016)08-0031-04