优化支护建立科学支护体系.docx
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优化支护建立科学支护体系
强化支护成本控制理念，完善巷道科学支护
体系建设，促进矿井效益最大化
恒源煤矿
二0一三年四月
一、恒源煤矿巷道支护方式的沿革与现状
1.1巷道支护方式的沿革
恒源煤矿原设计生产能力为0.60Mt/a，1985年5月建井，1993年12月投产。
1995年一期改扩建设计生产能力1.20Mt/a，2001年安徽省经委同意生产规模为1.80Mt/a。
2006年核定生产能力2.00Mt/a。
建井期间，岩石巷道支护方式主要有砌碹和锚杆两种。
砌碹巷道的砌体厚度一般为300-400mm，；锚杆支护采用的锚杆为砂浆锚杆，杆体为Φ12mm螺纹钢锚杆，长度1600mm，设计喷浆厚度100mm。
矿井投产以后，砌碹支护由于劳动作业强度大而且属于被动支护，逐步退出了历史舞台。
以锚杆为基础的岩巷支护不断得到丰富和发展，支护先后经历了锚杆+喷浆、锚杆+金属网+喷浆、锚杆+金属网+梯子梁+喷浆、锚杆+金属网+梯子梁+喷浆+锚索等方式，期间，锚杆材质的形式也发生了变化，2003年以前主要采用Φ16mm*1600mm圆钢锚杆，后逐渐更换为Φ20mm*2000mm-2400mm左旋无纵筋等强螺纹钢锚杆。
2008年以前，矿井煤巷支护方式以11号矿用工字钢架棚支护为主（局部地段采用25U型钢），2007年煤巷锚杆支护率仅占25％。
2008年后煤巷锚杆支护技术逐步得到推广应用，锚杆支护率逐年上升。
2009年6月，与中国矿业大学合作，在Ⅱ6119大断面沿空切眼开展锚杆支护试验研究；2009年12月，开展Ⅱ615风巷沿空窄小煤柱锚杆支护研究；2011年5月，与安徽省煤炭科学研究院合作，在45采区454工作面风巷进行留设4m窄煤柱沿空掘进锚杆支护研究，均取得成功。
通过矿压监测、动态信息反馈和工程类比，煤巷锚杆支护迅速普及，目前矿井煤巷锚杆支护率已达到95％。
1.2巷道支护方式的现状
恒源煤矿目前掘进巷道支护方式以锚杆为主，型钢支护为辅；修护巷道以锚注支护为主，型钢支护为辅。
岩巷设计普遍采用直墙半圆拱型断面，锚网喷索支护（锚杆+钢筋网+喷浆），煤巷采用斜矩形断面，锚梁网索支护（锚杆+菱形金属网+钢带/梯子梁+锚索）。
现根据岩性、水平、回采巷道沿空情况对我矿支护现状详述如下：
1、锚网喷支护
主要适用于-600m水平以上的岩巷支护。
采用锚杆+钢筋网+喷浆联合支护，选用Φ20、L=2000mm左旋无纵筋等强螺纹钢锚杆，φ6.5mm（间距100*100mm）的焊接平网，锚索选用Φ17.8mm×6000㎜钢绞线，锚杆间排距900mm×900mm。
三岔门、四岔门、皮带机头硐室，采用Φ17.8mm锚索补强支护。
喷层总厚度为50～90mm。
2、锚网索喷支护
主要适用于-600m水平以下的岩巷支护。
采用锚杆+钢筋网+锚索+喷浆联合支护，选用Φ20、L=2400mm左旋无纵筋等强螺纹钢锚杆，φ6.5mm（间距100*100mm）的焊接平网，锚索选用Φ17.8mm×6000㎜钢绞线，锚杆间排距800mm×800mm，锚索间排距2000mm×2400mm，居巷中“二一二”对称布置。
喷层总厚度为50～90mm。
3、锚网索喷注支护
主要适用于-600m水平以下的大断面岩巷支护。
采用锚杆+钢筋网+锚索+喷浆+注浆联合支护，选用Φ20、L=2400mm左旋无纵筋等强螺纹钢锚杆，φ6.5mm（间距100*100mm）的焊接平网，锚索选用Φ17.8mm×6000㎜钢绞线，锚杆间排距800mm×800mm，锚索间排距2000mm×2400mm，居巷中“二一二”对称布置。
喷层总厚度为50～90mm。
采用Φ20、L=2800mm注浆锚杆进行壁后注浆，选用po42.5单液水泥浆，注浆锚杆间排距2000mm×1600mm，与原锚杆交错布置。
4、锚梁网索支护
主要适用于-600m水平以上的煤巷实体巷道支护方式。
采用金属锚杆+钢筋梁+金属网+玻璃钢锚杆+塑编网+锚索联合支护，顶板选用Φ20L=2000mm左旋无纵筋螺纹钢锚杆，2.4×80梯型锚梁，菱形金属网，帮部采用Φ20L=2000mm玻璃钢锚杆，2.4×80梯型钢筋梁、塑编网支护，锚索选用Φ17.8mm×6000mm钢绞线，锚杆间排距900mm×900mm，锚索间排距1800mm×2700mm，居巷中“二一二”对称布置。
5、锚梁网带索支护
主要适用于-600m水平以上的煤巷沿空巷道支护方式。
采用金属锚杆+"M"型钢带+金属网+锚索联合支护，顶板选用Φ20L=2000mm左旋无纵筋螺纹钢锚杆，3mmw钢带，菱形金属网，帮部采用Φ20L=2000mm金属锚杆，3mm平钢带、菱形金属网支护，锚索选用Φ17.8mm×6000mm钢绞线，锚杆间排距800mm×800mm，锚索间排距1800mm×1600mm，居巷中“二二”对称布置。
6、其他支护的选择
锚注支护：
适用在矿井水平开拓巷道、采区上、下山准备巷道、水平与采区水仓、岩石联巷、主要机电设备硐室等，在巷道掘进后可以采用锚喷和金属支架支护的局部过断层破碎带和软岩巷道，滞后迎头支护后一段时间进行注浆，降低围岩变形量。
注浆锚杆选用Φ22mm×2000mm（2400mm）中空注浆锚杆，注浆锚杆间排距1500mm×2000mm，水泥单浆液。
29U型钢支护：
适用在矿井水平开拓巷道、采区上、下山准备巷道、采区水仓及岩石联巷、主要机电设备硐室等巷道，在巷道顶板揭煤施工及巷道帮顶围岩破碎带进行时，锚喷支护无法满足支护要求时，采用29U型棚被动支护方式，水泥背板及金属网（或塑料网）腰帮过顶，棚距500～600mm。
11#工字钢支护：
适用在回采巷道过断层、老硐室、顶板揭煤及围岩破碎带掘进期间，无法采用锚杆支护时，采用11#工字钢梯形棚支护，塘材和笆片或水泥背板和金属网帮顶过顶，棚距500mm～600mm。
锚杆＋架棚复合支护：
适用于回采巷道锚杆支护时过应力集中区带、回采动压影响带、大断面综采切眼顶板岩性较差或不稳定时锚杆与架棚联合支护方式，锚杆为Φ20mm×2000mm（2400mm）金属螺纹钢锚杆，架棚为11#工字钢梯形棚支护或工字钢梁与单体液压支护套棚复合支护方式，棚距600mm～1000mm。
29U型钢+锚注支护：
主要适用不宜锚喷支护的岩石巷道受地压影响较大，U型棚与锚注联合支护的方式，提高围岩稳定性。
U型棚支护后，进行喷浆封闭帮顶围岩，再选用Φ22mm×2000mm（2400mm）中空注浆锚杆或Φ17.8mm×6000mm锚索进行注浆加固。
锚梁网索二次支护+底板注浆:
主要用于深部采区巷道帮顶围岩比较破碎的岩石锚喷巷道的支护方式。
首先采用金属锚杆+焊接平网联合支护，帮顶均选用Φ20L=2000mm左旋无纵筋螺纹钢锚杆，φ6.5mm（间距100*100mm）的焊接平网进行一次支护，并喷浆进行封闭围岩，锚杆间排距900mm×900mm。
然后再次采用金属锚杆+焊接平网+钢绞线锚索联合支护，锚杆间排距900mm×900mm，与一次锚杆支护交错布置，锚索选用Φ17.8mm×6000mm钢绞线，锚索间排距1800mm×1600mm，居拱顶“三三”对称布置，底板选用底板锚杆机打眼进行深浅孔注浆加固，水泥单浆液。
二、支护成本分析
2.1支护材料的价格统计
材料名称
规格型号
单位
单价（元）
w钢带
3.2m
根
119.68
w钢带
3.4m
根
98
w钢带
3.5*0.16
根
134.64
W钢带
3.8m
根
142
W钢带
4.2m
根
153.72
钢筋梁
0.08m
根
18
玻璃钢螺母
个
5
玻璃钢锚杆
φ20*2m
根
21.37
玻璃钢托盘
个
5
高强锚杆
Φ20*2m
根
32.48
高强锚杆
Φ20*2.4m
根
38
管缝锚杆
2m
根
75
注浆锚杆
Φ22*2.5m
根
58
注浆锚杆
Φ22*2.0m
根
44
金属网
10#
m2
22.4
金属网
12#
m2
21
焊接平网
Φ6.5×100×100
m2
25
塑料编织网
1.1*10m
片
8.12
锚索
SKP15-1/1860
米
11.11
锚索
SKP18-1/1860
米
14.53
锚索托盘
200*200*10
只
17
矿用锚索锚具
KM15-1860
件
16.24
锚具
km18
件
23
锚固剂
350g
支
1.28
锚固剂
k23.35
支
2.56
树脂锚固剂
23*50
支
2.9
树脂锚固剂
25*30
支
2.5
树脂锚固剂
k28.35
支
3.3
树脂锚固剂﹙Z型﹚
Z23*50
支
2.9
水泥背板
0.8*0.15*0.05
块
4.35
塘柴
0.7*0.05m
根
0.4
塘柴
0.8m*0.03m
千根
4100
塘柴
1.2m*0.025m
千根
4300
塘柴捆
1.6m
捆
3.16
塘柴捆
1.6m*0.15m
捆
4.17
大竹笆
1.6*1m
千片
1700
笆片
0.8*0.4m
千片
570
竹背板
0.8m*0.15m
块
2.9
复合硅酸水泥
pc32.5
吨
196
普通硅酸水泥
po42.5
吨
230
黄沙
细度模数：
3.0-2.3中
吨
47
瓜子片
7-13mm
吨
35
2.2近年支护成本所占可控成本的权重分析
恒源煤矿2010年、2011年、2012年掘进巷道支护方式以锚杆支护为主，2010年掘进支护材料累计消耗1661.8万元，2011年掘进支护材料累计消耗1962.5万元，2012年掘进支护材料累计消耗233.4万元，分别占当年掘进巷道支护成本比重为24.76%，29.89%，2012年同期为38.93%。
具体指标见下表：
恒源煤矿2010、2011、2012年支护材料成本所占比重明细表
年度
支护材料消耗（元）
年度材料成本（元/吨）
支护材料成本（元/吨）
支护材料成本占比（%）
2010年
16618572
27.83
6.89
24.76%
2011年
19625004
27.64
8.26
29.89%
2012年
23344507
24.11
9.39
38.93%
恒源煤矿2010、2011、2012年锚杆锚索及建工材料所占支护材料成本比重明细表
材料种类
2010年
2011年
2012年
消耗（元）
占支护成本比重（%）
消耗（元）
占支护成本比重（%）
消耗（元）
占支护成本比重（%）
锚杆
7131675
48.30%
7975354
50.10%
9356229
52.30%
锚索
617768
3.72%
706700
3.60%
1277653
5.47%
水泥
1496610
9.01%
2141040
10.91%
3155607
13.52%
黄沙
1322761
7.96%
1281141
6.53%
1338203
5.73%
瓜子片
151984
0.91%
139902
0.71%
232054
0.99%
2.3节约支护成本的途径分析
2.3.1.合理确定巷道断面尺寸
巷道断面尺寸是影响支护成本投入的关键因素。
在满足安全使用的条件下，巷道断面越小，循环进度时间缩短，不仅提高了掘进单进水平和工效，而且支护材料投入减少，实现支护成本降低。
2.3.2.合理确定支护材料参数和支护材料强度
依据巷道服务年限、地质条件和巷道围岩稳定情况科学合理确定支护参数和支护强度，在巷道掘进施工期间，要定期搜集巷道变形和矿压情况，或采用类比法的支护方式，根据围岩稳定情况和矿压大小，在满足安全生产需要的情况下，及时修改支护参数和支护强度，实行巷道支护动态化管理，避免支护密度过大，支护强度过高，增加支护成本投入。
2.3.3.加强井下建工材料管理
根据恒源矿2012年锚喷巷道支护材料分析，建工材料（水泥、黄沙、石子）实际消耗量均超出设计量，说明在锚喷巷道施工中，存在巷道成型差而采用多次喷浆方法达到设计断面尺寸要求，其次，地面混合料与水泥人工拌料配比不均匀、风水压力控制不合理及喷浆手操作技术等问题造成回弹料较多。
要加强巷道成型管理，建立井下机械拌料系统，使地面混合料与水泥配比均匀。
加强对操作人员的技能培训，提高喷浆质量和效果，最大化的减少建工材料投入和回弹料产生，同时，对回弹料进行合理回收和利用。
2.3.4.科学锚杆支护设计，减少支护成本浪费
近几年来，恒源矿巷道支护主要以锚梁网索和锚喷支护为主，占全年掘进巷道进尺90%以上，根据2010年以来恒源矿锚杆巷道支护成本统计分析，锚杆占支护总成本的50%左右，对支护成本影响较大，在进行支护设计及施工时，要根据各采区、煤层顶底板岩性特点和稳定性，结合矿压监测资料和变化规律，按巷道的用途和服务年限实行锚杆支护差异化、动态化管理，要加强施工期间地质调查分析和支护管理，优化调整帮顶锚杆间排距大小、长度，改变以往惯性思维支护理念和套用手法，避免支护强度过高，浪费了材料，同时，做好锚杆支护材料质量抽检验收和施工质量监督检查，保障支护有效，充分发挥每根锚杆支护作用。
三、当前支护管理存在的问题分析
3.1支护设计存在的问题
1、支护设计缺乏可靠的理论支撑
矿井地质条件千差万别，行业内难以形成适应不同围岩条件特点的统一的可量化的支护理论，支护方式及参数的选取基本通过经验类比。
2、工程类比法一成不变
工程类比法没有充分考虑巷道围岩状况、所处标高、地压特点及服务时间，支护设计千篇一律，整条巷道支护参数基本不变，巷道支护差异化设计不充分。
3、动态设计不到位
围岩稳定性监测不够全面，信息反馈不够及时，数据分析不够系统，基于工程类比法为主的“动态信息法设计”缺乏及时性。
4、过分强化安全的可靠性，支护设计强度偏大。
3.2支护施工存在的问题
1、巷道光面爆破成型欠佳，增加建工材料消耗，喷射混凝土配比不合理，强度偏低，喷浆工艺有待改进，回弹量大。
2、锚杆眼的深度偏大。
为保证锚杆一次性安装合格，防止锚杆外露过长大于设计规定，锚杆眼超过设计深度，从而降低了锚杆的有效锚固长度，削弱了支护效果。
3、锚杆、锚索的二次紧固不到位。
4、巷道初喷厚度达不到设计要求，为追求巷道表面观感，反复进行复喷。
四、科学支护体系建设
4.1提出背景及意义
当前,煤炭市场疲软,煤矿开采成本不断增加，煤矿企业的生存和发展环境发生巨大变化，生产经营受到严重影响。
通过实施降本增效是煤矿企业增盈的主要途径，鉴于支护材料在吨煤材料费用中所占的权重高，通过控制支护成本投入，在满足安全生产和使用的前提下，根据不同地质条件、用途和服务年限因地制宜的进行巷道支护设计，实行巷道支护差异化管理，实现科学支护，是提高矿井生产效益的重要举措。
4.2科学支护内容
包含两方面的内容：
一是选择合理经济的巷道断面，满足安全生产需要。
二是采用以工程类比法为基础的“动态信息法”支护设计，即在采用工程类比法的基础上，分以下几个步骤进行：
地质力学评估、初始设计、施工与围岩稳定监测、信息反馈分析、修改完善设计、日常监测及信息反馈、再次修改完善设计。
通过“动态信息法”支护设计，实现巷道支护差异化管理，确保巷道安全使用的同时，降低巷道支护成本投入。
4.3科学支护流程
科学支护的实施涉及矿总工程师、地质和掘进副总工程师、设计部门、地质部门、锚杆支护监测小组、施工单位、经营部门。
科学支护流程见下图：
4.4职责及要求
总工程师：
负责下达支护设计任务书，组织相关专业副总、设计及地质部门审查巷道支护设计方案和变更支护设计，并批准实施。
掘进副总工程师：
负责组织技术部门进行支护设计，主持支护设计和支护变更设计的审查、作业规程、安全技术措施的会审，负责对矿压观测结果进行分析评判，并提出处理意见。
地质副总工程师：
在总工程师的领导下，对矿井地质防治水技术管理工作负责，完善地质技术管理工作和地质资料的审查，从地质技术工作方面保障安全生产。
设计部门：
负责完成总工程师及掘进副总安排的设计工作，做好支护设计资料的搜集整理，与地质部门联系，提出支护设计方案和支护设计变更工作，对施工质量进行跟踪调查，实现科学支护。
地质部门：
负责地质资料搜集整理，为支护设计提供相关地质资料，掌握巷道地质变化情况，分析巷道煤层赋存条件，顶底板特征，地质构造，及时向技术、施工单位及有关领导提交地质预报。
锚杆支护监测小组：
负责锚杆支护工程质量检查，加强锚杆支护质量监督检查，深入现场，掌握施工动态，及时向有关部门和领导报告施工条件变化情况；负责矿压观测资料的收集、分析，及时向技术负责人提交分析结果。
施工单位：
负责技术方案的贯彻实施，保证工程质量，负责及时汇报现场施工及地质条件变化情况，有权采取应急措施，指定专人负责工程质量检验及矿压观测。
区队技术员负责监督技术方案、安全技术措施的落实，并完成相应的技术管理工作。
经营部门：
负责支护材料核算和分析。
五、411机巷预期经济效益分析
411机巷设计为煤巷实体巷道，锚梁网索支护，斜距型断面，巷道走向长1200m，跟4煤层顶板施工，巷道断面尺寸：
净宽×净高=4200mm×2400mm，采用综掘机械化掘进施工。
411机巷主要以锚杆、锚索、金属网、塑料网、钢筋梁、钢带为支护材料，并配套树脂锚固剂。
巷道支护参数选择主要依据41采区原实体煤巷支护参数作为参考，以工程类比法为基础进行支护设计，顶板选用Φ20×2000mm的左旋无纵筋金属螺纹钢锚杆，帮部选用L=2000mm玻璃钢锚杆，间排距900×900mm，并辅以12#钢筋梁、10#金属网进行护表，树脂锚固剂为Z2335、K2335，每眼各1支，采用Φ17.8×6000mm锚索加强顶板支护，“二一二”型居巷中均匀对称布置，间排距1800×2700mm，树脂锚固剂为Z2335（2支）、K2335（1支），共3支。
根据以上支护设计计算，共需金属螺纹钢锚杆8000套，玻璃钢锚杆8000套，锚固剂16000支，钢筋梁13400m，金属网14000㎡，锚索13500m，配套锚索托盘2220只，锁具2220件，累计材料费用支出124.8万元。
依据411机巷已揭露地质条件和顶板岩性分析，411机巷直接顶为砂岩成分，顶板比较稳定且是在实体煤巷中掘进施工，其下部为回采的多年的63采区，无采动和集中应力影响，可以根据地质条件和实际情况，对支护材料和支护参数进行适当调整，在保障安全支护的情况下，适当降低支护强度，即顶板锚杆间距保持不变，排距由900mm调整为1000mm，锚索由Φ17.8×6000mm调整为Φ15.24×6000mm，每3m居中布置1根，帮部金属网更改为塑料网。
支护优化调整后，减少顶板金属锚杆135套，锚固剂266支；锚索减少11100m及配套托盘、锁具1850套，锚固剂5550支，金属网更改为塑料网后每平方网降低20.26元，累计节约材料成本支护共计49.46万元。
节约打锚杆及锚索工460个，累计节约人工费460×210元/个=9.7万元。
通过以上分析计算，411机巷在支护参数优化后，节约材料成本49.46万元，节省人工费用9.7万元，直接经济效益59.16万元。
但是，在施工过程当中，要加强支护质量监督检查和矿压监测，对支护过程中围岩变形量进行认真搜集整理和分析，当遇到地质构造带或帮顶围岩较不稳定时，要及时调整支护强度，保障支护有效，防止巷道变形失修增加支护成本，只有这样才能更好的实现经济技术一体化，建立完善的科学支护体系。
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