煤矿掘进巷道支护设计

郭清虎 范红杰 徐腾

摘要：工作面的运输巷与回风巷均沿煤层走向布置，切巷沿煤层倾向布置。运输巷的用途是进风、行人、运煤，回风巷的用途是回风、行人、运料，切眼的用途是安装采煤设备、采煤。为了保证煤层开采的经济性和安全性，需要对巷道的断面及其支护进行设计。

关键词：煤矿掘进；巷道支护；设计

1煤矿巷道概况

某煤矿目前的设计生产能力为240万t/a,矿井经过了多年开采，内部已经出现了很多老窑。该煤矿中很多矿井仍然采用比较传统的采掘方式，已经无法满足高效率的煤矿开采实际需要，亟须对煤矿开采工艺进行技术升级，需要基于快速掘进技术进行煤矿开采。快速掘进技术对巷道的支护技术提出了更高的要求，需要对煤矿巷道的支护技术方案进行升级改造。另一方面，当前该煤矿的开采煤层埋藏深度普遍较浅，随着煤矿开采的不断推进，后续开采的煤层深度越来越深。煤层埋深越深意味着围岩属性越复杂，对巷道支护方案要求也越高。基于此，有必要对煤矿巷道中快速掘进支护技术进行分析和研究。

本文主要以某煤层中的回风巷道为例进行分析，煤层厚度8.50～16.23m,平均厚度13.68m,煤层倾角4.30°～13.29°,平均倾角9.40°。回风巷道整体为矩形，高度3.5m,宽度5.2m。经过地质勘察，发现该煤层巷道的围岩属性比较复杂，存在很多断层、褶曲构造比较多，使得围岩属性比较软弱，容易破碎，这在很大程度上增加了巷道支护的难度。

2煤矿掘进巷道支护设计

2.1巷道断面设计

根据工作面巷道布置以及煤层赋存情况，设计顺槽均采用矩形断面。

2.1.1皮带顺槽

皮带顺槽宽度B可由式(1)计算，即：

式(1)中，a为回采机头宽度，取3.0m;b1为回采机头距帮割透尺寸，取0.8m;c为人行道宽度，取0.8m。

将相关数据代入式(1)中，得B=4.6m。

在进行锚杆支护时，端头会裸露一部分在外，大约0.2m，而且巷道在矿山压力的作用下还会发生一定的变形。因此，巷道的宽度应该适当大一些，取为5m。为了方便巷道支护，通常情况下沿煤层顶板进行掘进。巷道断面的高度h取决于巷道内所使用的设备的最大高度，可以表示为：

式(2)中，h1为巷道内使用的设备最大高度，取3.0m;h2为设备距离巷道顶板的安全距离，取0.3m;h3为锚杆、锚索外露长度，取0.2m。

将相关数据代入式(2)中，得巷道断面的高度h=3.5m。施工时保留一定的余量，这里巷道断面的高度取3.9m。

2.1.2回风顺槽断面

回风顺槽净宽B1可由式(3)计算，即：

式(3)中，a1为非人行道一侧设备距离巷帮的最小距离，为了提高巷道的利用率，通常取0.8m;b为巷道内运输设备最大宽度，结合煤矿生产设备的实际情况，这里取2.6m;c1为人行道侧设备外端距巷帮之间的最小距离，考虑到行人的方便性和经济性，这里取1.0m。将相关数据代入式(3)中，得B1=4.4m。

在进行锚杆支护时，端头会裸露一部分在外，大约为0.2m，而且巷道在矿山压力的作用下还会发生一定的变形。因此，回风顺槽的宽度应该适当增大一些，取4.6m。

2.1.3切眼断面设计

考虑设备（ZF15000/27.5/55支架运输尺寸8000mm×2600mm）安装因素，切眼宽度设计为8m，切眼高度设计为3.9m。

2.2支护方案优化

由于本文研究的回风巷道围岩整体比较松软、破碎，并且内部包含有夹矸层。因此，对于顶板应该采用“锚杆+锚索+护表构件”联合支护方案[7],两帮部位应该采用“锚杆+护表构件”联合支护方案。这与原支护方案相同，所以在对巷道支护方案进行优化改进时，无需做大改动，只需对锚杆和锚索的间距、排距及其排列方式等进行优化改进即可。

优化后的方案与原方案相比较而言，改进之处主要表现在以下几个方面：①同一排中的锚杆利用长度为1m的槽钢进行连接，使所有锚杆能够形成一个整体，提升锚杆支护的稳定性；②顶板部位的锚索排列方式由“三二三”方式转变成为“二二”方式，一排处在2排锚杆中间，锚索之间的距离为2m,邻排锚索分布在钢带两端，即处在顶板两侧部位，并且锚索与竖直方向呈30°布置；③两帮部位每排设置4根锚杆，比原方案中的3根锚杆多1根锚杆，锚杆的型号和尺寸与原方案完全相同，锚杆的间距和排距均为1m。

2.3顶板支护

每排采用Φ20mm×2200mm左旋无纵筋螺纹钢锚杆4根，采用Φ21.6mm×7000mm高预应力锚索2根，间排距800mm×800mm，其中第一排锚索布置在两边最外侧，距离帮部150mm，且垂直向外倾斜15°，第二排锚索布置在顶板中间，最外侧锚杆距离帮部150mm，且垂直向外倾斜15°。顶板铺设Φ6钢筋网，采用4200mm×280mm×3mmW钢带连接锚杆锚索，锚杆外露长度，锚杆螺母外锚杆丝扣10～50mm之间，锚杆外露端头配套200mm×200mm×12mm托盘固定。锚索露出锁具150～250mm。锚索外露端头配套300mm×300mm×14mm托盘固定。

2.4特殊情况下巷道支护

巷道开口前要加固开口处巷道前后5m范围内支护，所有失效锚杆全部补打，并按网度2.0m×2.0m补打锚索加强支护。采用小循环作业，循环进度0.8m顶锚杆排距缩小为800mm，锚索按网度1.3m×1.8m施工，两帮加挂金属菱形网。开口5m后采用正常支护。顶板不完整、顶板冒落或遇地质构造时，顶锚杆排距为800mm，锚索排距为800mm，两帮加挂金属菱形网。为满足设备要求，皮带顺槽机头段、二部皮带搭接段30m范围内巷道宽度5m。顶锚杆间排距800mm×800mm，锚索每排2根，间排距1200mm×1600mm。考虑到掘进工作面过断层、破碎带等区域时地应力比较异常，为此，应该采取相应的加强支护措施，具体如下：a)顶板不完整、顶板冒落或遇地质构造时，顶锚杆排距为800mm，锚索排距为1600mm，两帮加挂金属菱形网；b)降低循环作业的强度，由原来的1.0m进度调整为现在的0.8m进度；c)顶帮破碎严重，上述支护不能满足支护要求时，加套11#工字钢铁棚，棚距900mm。

2.5经济性对比分析

原煤矿回风巷道支护方案的建设成本为1614元/m。而优化后的支护技术方案由于缩短了锚杆间距以及锚索间距，建设成本有所增加，约为1752元/m,与优化前相比较建设成本增加了8.55%。但是优化后的支护方案具有更高的稳定性，后期的维护成本相比较低。从经济性方面进行分析，可以认为优化前和优化后的巷道支护技术方案基本持平。

综上所述，通过对煤矿巷道快速掘进支护技术方案进行优化改进，巷道掘进后围岩的稳定性有了明显提升，为煤矿安全奠定了良好的基础，取得了非常好的安全效益。经济效益方面，优化后的煤矿巷道支护方案建设成本基本与原方案持平，但是有了更加安全的煤矿开采环境，可以进一步提升煤矿开采效率。从该层面而言，可以为煤矿企业创造一定的经济效益。

结论

巷道断面的选取对于煤矿开采的经济性十分重要，巷道的支护设计关系着巷道使用的安全性。为此，在掘进巷道时需要确定巷道的断面尺寸和巷道的支护方式。以A矿为例，分析了煤矿掘进巷道断面设计和支护设计的过程，以期为煤矿掘进巷道的设计提供参考。

参考文献：

[1]秦培杨.南阳坡矿5704回风巷道支护参数研究[J].山东煤炭科技，2021,39(8):4-6.

[2]王进亮.瑞龙煤矿一采区开采设计分析[J].能源与节能，2021(8):35-36.

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[4]任宝恒.王庄煤矿9107工作面回风巷支护方案优化研究[J].山西煤炭，2021,41(2):65-69.