西铭矿48705 工作面单轨吊巷支护技术优化研究

刘云鹤

（山西西山煤电股份有限公司西铭矿，山西太原 030052）

0 引 言

西铭矿北七采区主采8 号和9 号煤层，目前布置完成48707 和48709 2 个工作面，且2 个工作面均尚未开始回采，后期采区预计还要布置9~10 个工作面，是西铭矿未来开采的重点区域，因此选择北七采区48705 工作面单轨吊巷进行锚杆支护技术研究具有典型的代表意义。北七采区8 号煤层由于煤层条件复杂，8 号上煤和8 号煤之间含有1 层平均厚度约为2.5 m 的页岩夹矸，该层夹矸厚度变化不定，纵向节理发育，导致8 号煤层巷道布置困难，存在巷道掘进和工作面回采双重矛盾相互制约。一方面，若巷道沿8号煤层顶板布置，虽然巷道支护和维护难度较小，但是后期工作面回采会造成煤质较差、煤炭资源大量浪费的困境；另一方面，若巷道沿8 号煤层底板掘进，可解决工作面回采问题，但是巷道在掘进过程中面临顶板条件差，支护难度较大的现象[1~3]。

针对上述情况，西铭矿选择8 号煤层48705 工作面单轨吊巷作为第1 条示范巷道，研究西铭矿北七采区8 号煤层巷道合理支护技术参数及支护方案，解决北七采区8 号煤层开采和支护难题，进行合理巷道掘进方式选择，以及对应巷道支护技术研究，从而为工作面安全、合理、高效的生产提供技术支持。

1 工程概况

1.1 工作面概况

48705 工作面位于西铭矿北七采区，巷道位于8号煤层，如图1 所示，48705 工作面井下位于北七采区左翼，东为48703 工作面（未布置），南为北七左翼回风巷，西为48707 工作面（中对中煤柱尺寸25 m），北为随老母断层。48705 工作面巷道全长1 683 m，目前单轨吊巷已经掘进420 m 左右，皮带巷目前尚未开始掘进，单轨吊巷道断面呈矩形，巷宽5.0 m，巷高3.8m。试验工作面上覆2 号煤已回采，北部2 号煤及3 号煤为小窑所采，2 号煤与 8 号煤层间距 85 m，3 号煤与8 号煤层间距66 m。

图1 巷道平面布置示意图

1.2 煤层及顶底板条件

8 号煤层平均倾角为4°，平均厚度为3.09 m，煤层结构复杂，节理较发育，煤层中下部含有一层0.28m 厚的夹矸。8 号煤层上方是一层泥岩夹矸，平均厚度2.1 m，灰黑色，层理节理发育，含植物化石碎片，较破碎易冒落。其上部为8 号上煤，平均厚度为0.55m。再往上是石灰岩顶板，平均厚度2.1 m，深灰色，上部为炭质泥岩，下部质较纯，含方解石，致密坚硬，局部裂隙发育。再往上就是为泥岩，平均4.74 m。再往上为石灰岩，平均厚度6.57 m，致密块状，含方解石及黄铁矿晶体，中部加薄层钙质页岩。8 号煤层直接底为砂质页岩，平均厚度2.5 m，节理发育，顶、底部有薄层页岩，含植物化石碎片，局部变相为细砂岩。往下为9 号煤层，平均厚度3.3 m，9 号煤层底板是平均厚度为1.82 m 的泥岩。

2 支护现状分析

根据井下调研情况，目前西铭矿北七采区48705工作面和48707 工作面单轨吊巷均沿8 号上煤层顶板（石灰岩底板）布置，而48709 工作面单轨吊巷沿8号煤层顶板（夹矸的底板）集中布置，巷道支护设计方案相差较大，具体情况如下。

2.1 48705 工作面和48707 工作面单轨吊巷

48705 和48707 单轨吊巷目前均沿8 号上煤层顶板，即石灰岩底板进行掘进，目前48707 工作面已经全部贯通形成，而48705 单轨吊巷道目前已经掘进超过400 m。巷道采用矩形断面，尺寸为5.0 m×3.8m，巷道断面大小19 m2，采用锚杆支护。顶板顶锚杆间排距为1 500 mm×1 500 mm，帮锚杆间排距为1 500 mm×1 400 mm。顶锚杆采用φ20 mm×2 200 mm 的左旋无纵肋螺纹钢锚杆，并配套碟形铁托片，托片规格为110 mm×110 mm×10 mm。帮锚杆采用φ20 mm×1 800 mm 的左旋无纵肋螺纹钢锚杆，并配套采用10 号菱形金属网护帮。

北七采区8 号煤层巷道采用上述布置方式及巷道方案之后，通过井下调研发现，由于煤层顶板为石灰岩，强度高，完整性好，因此巷道支护难度较小，仅采用单体锚杆配合托盘就能很好的维护顶板的完整性，支护强度和支护密度均比较低，间排距为1.5 m，顶板完好，现场来看巷道变形量很小，但是由于巷道两帮大部分为8 号上煤和8 号煤之间的页岩夹矸，硬度明显高于煤帮，页岩夹矸纵向节理比较发育，存在帮锚杆钻孔钻进困难，导致巷道两帮施工和维护难度相对较大，现场也出现部分区域巷道两帮出现鼓包状况，不过整体来看，对巷道影响较小。

2.2 48709 工作面单轨吊巷

48709 工作面单轨吊巷沿8 号煤层顶板，即8 号煤层夹矸的底板进行掘进，目前工作面已经全部布置完成。48709 工作面单轨吊巷顶板采用螺纹钢树脂锚杆、锚索、钢带、钢筋网联合支护，两帮采用螺纹钢树脂锚杆、钢筋钢带、金属网护帮。顶锚杆每排布置5 根锚杆，规格为φ20 ~ 2 200 mm，间排距为1.1m×1.0m，配合采用W 钢带，厚度为3 mm，宽度为220 mm，长度为4.6 m，配套采用锚杆托盘，规格为110 mm×110 mm×10 mm。顶锚索采用“二二”间隔布置，规格为φ17.8~5 400mm，间排距为2.5 m×2.0 m，配合采用300 mm×300 mm×16 mm 厚度的锚索平托盘。采用钢筋网护顶。帮锚杆每排布置3 根锚杆，规格为φ20~1 800 mm，间排距为1.4 m×1.0 m，配套采用钢筋梯梁和锚杆托盘，托盘规格为110 mm×110 mm×10 mm，采用菱形金属网护帮。

通过对48709 工作面单轨吊巷现场调研的情况来看，巷道采用托夹矸顶板进行掘进，通过采用矿方上述的巷道支护方案之后，基本能够较好的控制巷道围岩变形和破坏，现场来看：巷道顶板和两帮均比较齐整，出现巷道变形和破坏的情况较少，巷道变形量稳定可控，说明现在的支护能够很好的控制住顶板巷道围岩移近和变形，同时支护体受力的破坏的状况也不多，未见锚杆锚索破断现象，说明现有的支护体强度能够满足巷道支护的需要。

3 巷道掘进方式的选择

对于西铭矿北七采区来说，选择合理的巷道掘进方式成为影响巷道掘进和工作面回采的关键问题。48705 单轨吊巷巷道宽度和高度为5.0 m×3.8 m，48705 单轨吊巷掘进有2 种方式可供选择：①沿8 号上煤层顶板掘进，即巷道顶板为石灰岩；②沿8 号煤层顶板掘进，即巷道顶板为页岩夹矸。

3.1 数值计算分析

采用FLAC3D数值模拟软件，模拟不同巷道掘进方式条件下，通过对巷道围岩应力状态、围岩破坏变形情况变化规律进行综合对比分析。分别模拟了48705 工作面单轨吊巷沿8 号上煤层顶板以及8 号煤层顶板掘进2 种不同条件下，巷道围岩应力及围岩破坏分布特征，计算结果如图2、3、4 所示。

如图2 所示，巷道沿8 号煤上煤层顶板掘进时，巷道围岩应力集中主要分布在顶板2 个角，是由于石灰岩顶板强度远远超过巷道底板和两帮。当巷道沿8号煤层顶板掘进时正好相反，巷道围岩应力集中分布在底板2 个角，是由于改变掘进方式后，顶板由石灰岩变为页岩夹矸，顶板强度降低容易变形，没有发生应力集中，底板砂岩强度高易产生应力集中。

图2 不同巷道掘进方式围岩垂直应力分布状态

图3 不同巷道掘进方式围岩水平应力分布状态

从图3 可以看出，沿8 号上煤层顶板掘进围岩水平应力也在巷道顶板产生明显应力集中效应，顶板最大应力达到14 MPa，与之相反，沿8 号煤层顶板掘进围岩水平应力在巷道底板产生明显应力集中效应，这也是采用不同巷道掘进方式，围岩不同分布特性所导致的。

图4 不同巷道掘进方式围岩塑性破坏区分布状态

由图4 可知，当巷道沿8 号上煤层顶板掘进时，巷道围岩变形破坏范围较小，仅仅在局部区域发生围岩的塑性破坏，巷道支护难度较小；巷道沿8 号煤层顶板掘进时，此时巷道变形破坏范围有所增大，主要变形为巷道顶板和底板破坏区域和范围均有所加大，

3.2 巷道掘进方式对比分析

3.2.1 巷道掘进

如果巷道沿8 号上煤层顶板掘进，顶板是石灰岩时，此时由于夹矸平均厚度为2.67 m，属于半煤岩巷道。巷道掘进揭露的围岩分别为8 号上煤，页岩夹矸和部分8 号煤层，由于页岩夹矸的存在，且夹矸厚度较大，其硬度要明显高于8 号煤层，对掘进设备提出了较高的要求，要求具有较高的掘进设计功率和掘进机破岩能力。

如果巷道沿8 号煤层顶板掘进，顶板为页岩夹矸时，此时巷道掘进过程中需要掘进3.0 m 厚的8 号煤以及0.8 m 厚的砂岩底板，属于全煤巷道，相比较而言，煤层的硬度要明显低于页岩夹矸的硬度，因此对掘进设备的要求较低。

3.2.2 巷道支护

如果巷道沿8 号上煤层顶板掘进，顶板是石灰岩时，由于石灰岩硬度较大，可以说巷道顶板支护难度较小，支护强度和密度均比较小，但导致顶板钻孔施工难度非常大，影响巷道支护速度。

如果巷道沿8 号煤层顶板掘进，顶板是页岩夹矸，两帮均为8 号煤实体煤，对于巷道支护来说，对巷道支护的强度和密度提出了较高的要求，但使用普遍的MQT120 型锚杆钻机，能够轻松实现快速钻进。由于沿8 号煤层顶板掘进，普遍要施工顶锚索，由于锚索钻孔较长，施工速度相对较慢，给巷道支护速度带来不利的影响。

采用不同的巷道布置方式，综合权衡巷道掘进和支护双重影响，沿8 号上煤层顶板掘进，虽然顶板和两帮均为岩石，施工难度大，速度慢，但是巷道支护相对简单，根据矿方统计，每个月平均进尺约450 m 左右，而沿8 号煤层顶板掘进，虽然顶板岩石强度也相对较低，施工难度简单，速度相对较快，但是由于顶板锚杆锚索支护相对复杂，每个月平均进尺约为350 m左右。

综上所述，对于具体情况采用哪种巷道布置方式，要依据巷道围岩条件来恰当的选择，以达到最佳的社会经济效益。因此，建议在正常情况下，优先选择沿8 号煤层顶板进行掘进，同时在其他情况下，若出现8 号煤层厚度增加，而页岩夹矸厚度较小时，此时建议将巷道沿8 号上煤层顶板进行掘进。

4 巷道支护方案设计

4.1 方案一：48705 单轨吊巷沿8 号煤层顶板掘进

48705 单轨吊巷建议优先选择沿8 号煤层顶板进行掘进，选择标准为：当8 号上煤层和页岩夹矸厚度之和超过2 m 时，此时48705 单轨吊巷建议沿8号煤层顶板掘进，支护设计方案选择设计方案一进行执行。

4.1.1 顶板支护

1）锚杆：采用长2 m、杆尾螺纹为M22、锚杆尾部螺纹段长度不小于100 mm 的φ20 mm 左旋无纵筋螺纹钢筋。采用CK2360 和K2380 树脂全长锚固。采用W 钢带，采用厚度为3 mm，宽度为210 mm，长度为4 600 mm 的W 钢带护顶。

2）锚杆配件：采用高强锚杆螺母M22×2.5，配合高强托板调心球垫和尼龙垫圈，托盘采用拱型高强度托盘，规格为110 mm×110 mm×10 mm，承载能力不低于186 kN。

3） 锚索：锚索形式和规格：锚索材料为φ17.8mm，17 股高强度低松弛预应力钢绞线，锚索长度选择 3.3 ~ 5.3 m，钻孔直径28 mm，采用1 支CK2360 和2 支K2380 低粘度树脂药卷锚固。

4）锚索托盘：采用250 mm×250 mm×12 mm 拱形锚索托板及配套锁具。

5）锚索布置：采用“二一二一”间隔布置，排距1 100 mm，间距2 200 mm，垂直顶板岩层。

4.1.2 两帮支护

锚杆：采用长2 m、杆尾螺纹为M22、锚杆尾部螺纹段长度不小于100 mm 的φ20 mm 左旋无纵筋螺纹钢筋。采用K2380 树脂全长锚固。采用厚度3 mm，宽度210 mm，长度为400 mm 的W 钢护板护帮。

4.2 方案二：48705 单轨吊巷沿8 号上煤层顶板掘进

方案二适用于48705 单轨吊巷沿8 号上煤层顶板掘进，巷道顶板为石灰岩，正常地段巷道采用的支护方案。

4.2.1 顶板支护

锚杆：采用长1.8 m、杆尾螺纹为M20、锚杆尾部螺纹段长度不小于100 mm 的φ18 mm 左旋无纵筋螺纹钢筋。采用CK2360 和K2380 树脂全长锚固。采用W 钢带，采用厚度为3 mm，宽度为210 mm，长度为4 600 mm 的W 钢带护顶；

锚杆配件：采用高强锚杆螺母M20×2.5，配合高强托板调心球垫和尼龙垫圈，托盘采用拱型高强度托盘，规格为110 mm×110 mm×10 mm，承载能力不低于186 kN。

4.2.2 两帮支护

锚杆：采用长1.8 m、杆尾螺纹为M20、锚杆尾部螺纹段长度不小于100 mm，φ18 mm 左旋无纵筋螺纹钢筋。采用K2380 树脂全长锚固。采用厚度3 mm，宽度210 mm，长度为400 mm 的W 钢护板护帮。

5 结束语

1）阐述了西铭矿48705 工作面单轨吊巷现有支护方式及存在的问题。

2）通过数值分析，了解掌握了不同巷道掘进方式围岩应力、围岩破坏情况，分别从巷道掘进、巷道支护等不同角度方面对比分析了采用不同巷道布置形式下的优缺点。

3）最后针对西铭矿48705 工作面单轨吊巷2 种方案下的具体支护参数进行了设计。