王怀新   徐成亮

【新汶矿业（集团）公司 生产技术处】

摘  要  针对深部大倾角锚杆支护煤层巷道采用梯形断面难以控制围岩变形的问题，通过对巷道断面形状进行探索研究，逐步将巷道断面形状改变为斜切圆弧形断面，并采用锚、网、带支护形式，有效地控制了巷道变形，提高了掘进速度，取得了较好的支护效果。

关键词  煤巷  巷道断面  试验研究

随着开采深度的不断增加，矿山压力不断增大，传统的支护方式已不适应目前开采的需要。主要表现为：①梯形断面巷道的顶板下沉量大，特别是在软岩巷道中，顶板中部容易断裂下沉；②深部巷道两帮移近量大；③上下两帮受力不均，个别锚杆易被拉断。特别是在软岩巷道中，巷道断面形状和支护方式的选择直接影响工程质量、掘进速度、支护成本、巷道维修及回采产量等，影响到矿井的生产和效益。新汶矿业（集团）公司在潘西矿4196运输巷中探索改变巷道断面形状，提高了巷道承压能力，减小了巷道变形量，取得了较好的效果。

1  试验巷道概况

4196运输巷沿十九层煤掘进，长850m，埋深达974m。巷道所在的煤层发育较稳定，属稳定的中厚煤层，走向105～115º，倾向15～25º。煤层厚度1.0～3.35m，平均2.55m。煤层倾角19～32º，平均28º。煤呈条痕黑褐色，暗煤为主，镜煤和亮煤次之，树脂和油脂光泽，层理发育，坚固性系数f值为1.5，较松散，断口参差状或贝壳状，为半亮型煤。煤层基本顶为浅-灰白色中砂岩，坚硬稳固不易冒落，厚19 m，f值为6；直接顶为灰色粉砂岩，钙泥质胶结 ，层理节理发育，性脆易碎易冒落，厚6.5m，f值为3～4；直接底为砂质粘土岩，灰色到褐色，具有可塑性，遇水膨胀，厚3.6m，f值为3～4；基本底为细砂岩，灰色，坚硬致密，不含水，厚1.4m，f值为6～8。

2  巷道断面优化设计

2.1  初步设计及实施

根据原有的支护经验，4196运输巷初步设计为斜顶梯形断面，巷道净宽3200mm、上帮净高3800mm、下帮净高2000mm。巷道掘进断面积9.9 m2，净断面积8.9m2。

巷道采用锚、网、带支护。锚杆为全螺纹钢等强锚杆，直径20mm、长2500mm，间排距为800×800（mm），采用2卷MSK2850型树脂锚固剂卷加长锚固。顶板锚杆配直径125mm铁托盘，两帮锚杆配直径300mm铁托盘。网为菱形金属网，长×宽为8.0×0.9(m)。顶板铺设BHW-183×3型W钢带。

图1  初步设计的巷道断面与支护

采取这种断面形状掘进两个月，单进为150m。由于煤层倾角大，巷道上帮高度达到3800mm，给施工造成不安全因素。两个月后，巷道净宽由3200mm缩小为2800mm、下帮净高由2000mm缩小为1500mm，巷道宽度平均月收敛量为200mm、高度平均月收敛量为250mm（顶板下沉量为180mm，底臌量为70mm）。而且有多处巷道顶板断裂，存在冒顶危险。巷道变形剧烈使掘进施工进展困难，需停止掘进，对后部巷道进行开扩整修。

2.2  巷道断面设计的初步优化

巷道采取上述断面形状不能满足安全生产的要求，主要是由于梯形断面巷道的顶板受力结构易造成剪切破坏，因此将断面改为切圆拱形，以增强顶板受力能力，减小巷道变形量，减少巷道失修。巷道净宽仍为3200mm，切圆弧拱高为巷道宽度的2/5～1/4。根据巷道宽度及顶板岩性，切圆弧拱高定为900mm，而切圆拱形巷道上肩窝部高度达到煤层顶板，根据煤层厚度、倾角及巷道布置设备的高度确定墙高为2300mm。巷道掘进断面积为10.7 m2，净断面积为9.6m2。

锚杆、金属网、钢带和铁托盘等支护材料及参数不变，只是根据顶板形状将W钢带做成圆弧形。

图2  初步优化设计的巷道断面与支护

采取这种断面形状掘进两个月，单进100m。两个月后，巷道净宽由3200mm缩小为2880mm、下帮净高由2000mm缩小为1800mm，巷道宽度平均月收敛量为160mm、高度平均月收敛量为100mm（顶板下沉量为30mm，底臌量为70mm）。在巷道埋深达到900m以上的情况下，该断面形状基本能满足安全生产要求。

4196运输巷所在煤层平均倾角28º，用该种断面形状与支护方式的岩石掘进量为总掘进量的2/3，掘进煤质差，掘进煤进入系统后，影响矿井煤质。掘进单进低，造成了矿井采掘接续紧张的被动局面。

2.3  巷道断面设计的进一步优化

根据以上情况，又将巷道断面改为斜切圆拱形，这样既能增强顶板受力能力、减少巷道变形，又能减小岩石掘进量。巷道净宽仍为3200mm，斜切圆弧拱高为巷道宽度的2/5～1/4。根据巷道宽度及顶板岩性，斜切圆弧拱高定为900mm，而斜切圆拱形巷道上肩窝部高度达到煤层顶板，巷道下帮墙高定为1800mm，同时控制中部见煤高度为2300mm。巷道掘进断面积为10.3m2，净断面积为9.2 m2。

锚杆、金属网、钢带和铁托盘等支护材料及参数仍不变，仍根据顶板形状将W钢带做成圆弧形。

图3  进一步优化设计的巷道断面与支护

由此使单进达到130m。巷道宽度平均月收敛量为170mm，高度平均月收敛量为120mm（顶板下沉量为40mm，底臌量为80mm）。在巷道埋深达到900m以上的情况下，该断面形状基本能满足安全生产的要求。

3  技术经济效益分析

巷道采用斜切圆拱形断面具有很大的优越性。斜切圆拱形断面比斜顶梯形断面及切圆拱形断面顶板受力能力强，更有利于安全施工。在保证支护可靠的前提下减少矸石进入主运输系统使煤质优化，在当前煤炭市场饱和的情况下，有利于拓宽煤炭销售市场。斜切圆拱形断面较切圆拱形断面掘进速度快，有利于缓和该矿采掘接续紧张的局面。

此外，采用这种断面形状还可取得明显的综合经济效益。

（1）综合掘进费用

斜顶梯形断面巷道段的综合掘进费用为1580元/m，切圆拱形断面巷道段的综合掘进费用为1770元/m，斜切圆拱形断面巷道段的综合掘进费用为1720元/m。

（2）巷道维修费用

斜顶梯形断面巷道段共300m。由于巷道变形严重，无法满足生产要求，在4196工作面回采过程中，对该段巷道采取了挑顶、开帮、卧底、复棚和支设木支柱等措施进行巷道修复。共计复棚49架、支设木支柱62根，巷道修复用工720个，维修费用共计8.9万元，每m巷道的维修费用为296.67元。

切圆拱形断面巷道段有160m。在4196工作面回采过程中，该段巷道只出现局部底臌，巷道宽度、高度均能满足生产要求。对底臌段卧底用工35个，维修费用共计1750元，每m巷道的维修费用为10.94元。

斜切圆拱形断面巷道段长390m。在4196工作面回采过程中，该段巷道只出现局部底臌，巷道宽度、高度均能满足生产要求。对底臌段卧底用工92个，维修费用共计4600元，每m巷道维修费用为11.79元。

（3）综合经济效益

斜顶梯形断面巷道段的综合单价为1876.67元/m切圆拱形断面巷道段的综合单价为1780.94元/m，斜切圆拱形断面巷道段的综合单价为1731.79元/m。

根据以上数据，斜切圆拱形断面巷道段的综合单价比斜顶梯形断面巷道段降低144.88元/m比切圆拱形断面巷道段降低49.15元/m，具有较好的综合经济效益。

4  结 论

4196运输巷两帮移近量大于顶底板移近量，顶底板移近主要是以底臌为主，顶板下沉量小。这说明该巷道围岩应力以水平应力为主，垂直应力较小。

在巷道开挖的30内围岩变化较快，特别是巷道掘进的前10天变化最快。这说明巷道开挖早期矿压显现强烈，锚杆的主要作用是阻止破碎岩块掉落并阻止浅部围岩的扩容和离层，减少岩层弯曲。所以掘进时应及时支护，并且锚杆预紧力要达到要求。

对4196运输巷断面形状的探索表明，深部煤巷采用斜切圆拱形断面和锚、网、带支护，既能增强顶板受力能力、减少巷道变形，又能减小岩石掘进量。观测结果也表明，目前巷道（微弧拱顶）支护能有效地控制了地应力对巷道的破坏。不足之处是在承压松软煤层中，巷道采用这种形状的断面和支护方式，对巷道上帮的支护效果并不佳，容易出现片帮。这有待于进一步研究、改进。

第一作者简介  王怀新  男，1959年出生，山东科技大学毕业。现任新汶矿业（集团）公司生产技术处，研究员。曾发表论文多篇。邮政编码：271219

                                         （收稿日期：2005-10-08；责任编辑：周正行）下载本文