鑫基煤業回風斜巷支護技術優化研究及應用

樊義文

（山西煤炭運銷集團沁水鑫基煤業有限公司，山西 晉城 048000）

錨網索聯合支護技術已發展成為巷道支護的主要形式之一[1-2]。但巷道錨桿（索）支護參數的確定主要通過工程類比，支護方案的設計缺乏科學依據，當圍巖條件較差時，僅提高錨桿錨索的支護密度來提高支護強度，對于提高礦井的經濟效益非常不利。本文以鑫基煤礦2#煤層回風斜巷支護為背景，研究與巷道地質條件相適應的錨桿支護形式和參數，對于提高巷道支護體系的安全性和可靠性，減少支護費用和巷道維修工作量具有重要的意義。

1 工程概況

山西煤炭運銷集團沁水鑫基煤業井田位于沁水盆地南緣，生產規模120萬t/a，目前正在進行2#煤層的采掘作業。2#煤層穩定，煤層厚度為3m，為近水平煤層。2#煤層直接頂板多為砂質泥巖、泥巖或粉砂巖，一般厚在0～2.50m間不等，直接頂下常有約0.5m的灰色泥巖或炭質泥巖偽頂，基本頂為中細砂巖，厚約3.00m；底板巖性多為泥巖、砂質泥巖或粉砂巖，一般厚2.82m。正在掘進的回風斜巷地面位于井田南部邊緣，距回風斜井南20m為恒利舊回風斜井，即現在措施回風井，西南側為風井工業廣場。回風斜巷設計長度2073.141m，矩形斷面，凈寬4.8mm，凈高4.1m，沿2#煤層頂板施工。

2 回風斜巷原有支護效果分析

2.1 回風斜巷原有支護方案

2#煤層回風斜巷為矩形斷面，采用錨網（索）噴支護，坡度δ=-4.7°，S凈=15.18m2，噴厚T=100mm，掘進寬4.9m，掘進高4.2m。頂板錨桿采用直徑為20mm、長度為2400mm的硬質螺紋鋼錨桿，錨桿間排距為800×800mm。錨桿沿巷道中心線對稱布置，靠近巷道中心線位置的四根錨桿垂直巖壁施工，靠近兩幫肩角處的錨桿向外側傾斜20°安裝。每排六根錨桿，采用鋼筋網護表，錨桿之間采用直徑為14mm的光圓加工而成的鋼筋梯子梁聯結，錨桿采用一支Z2360樹脂藥卷錨固，預緊力不小于100N·m。兩幫錨桿規格與頂板錨桿相同，間排距為1100×800mm。最低一排錨桿距離巷道底板400mm，靠近巷道腰線的兩根錨桿垂直煤壁施工，靠近頂角的錨桿仰角為20°，靠近底板的錨桿安裝時俯角為20°。兩幫的錨桿采用一支Z2360樹脂藥卷，預緊力不小于100N·m，錨固力不小于70kN，兩幫采用金屬網護幫，金屬網由直徑6.5m的冷拔鐵絲制成。頂板錨索采用長度為6300mm、直徑17.8mm的1×9預應力鋼絞線，每排一根錨索，錨索排距為1600mm，每根錨索使用樹脂錨固劑MSCK23/60、MSZ23/80各一支，外露150～250mm。在巷道頂底板和兩幫表面噴射水泥混凝土封層，封層厚度50mm。回風斜巷支護斷面如圖1所示。

圖1 回風斜巷原有支護示意圖

2.2 回風斜巷錨網索支護效果

為詳細了解2#煤層回風斜巷錨網索支護效果，掘巷過程中，在現場進行圍巖位移監測。現場監測整理得到如圖2所示的結果。由圖2可知，回風斜巷圍巖位移集中在成巷后的18d內，之后圍巖基本不再發生明顯的位移，頂板下沉量穩定在24mm，兩幫移近量穩定在31mm，總體來說巷道圍巖穩定性較好。由此可知，巷道掘進后采用錨網索支護方案巷道圍巖變形量較小。

圖2 回風斜巷兩幫與頂板變化量

3 回風斜巷現支護方案合理性分析及數值模擬

2#煤層回風斜巷頂板為泥巖，泥巖的厚度在0～2.34m間變化，泥巖上方為堅硬的中細砂巖，因此頂板錨桿的錨固區可分為四種狀況。四種情況下均采用相同的支護方案明顯不合理，為此提出以下四種方案：（1）頂板泥巖厚度大于2.1m時，錨桿錨固段不在堅硬的中細砂巖中。頂板和兩幫錨桿規格為Φ20×2400mm，間排距調整為800×1200mm，幫錨桿間排距1100×1200mm，頂板錨索支護參數與原支護方案相同。（2）巷道頂板泥巖厚度為1.6～2.1m，頂板錨桿間排距調整為1000×1200mm，頂板錨索長度減小為4500mm。（3）巷道頂板泥巖厚度小于1.5m，錨索長度減小為4000mm。（4）巷道頂板無泥巖，取消頂板錨索。

為具體分析四種支護方案的可行性，采用FLAC3D數值模擬軟件結合2#煤層具體的地質條件進行分析[3-4]。四個方案的數值模型如圖3所示。

圖3 不同頂板條件下回風斜巷支護方案

模擬不同支護條件下回風斜巷的開挖，得到圖4所示結果。根據回風斜巷頂板泥巖的厚度調整支護方案，隨著泥巖厚度的減小，降低巷道的支護強度。整體來說，圍巖的變形量呈逐漸增大的趨勢，其中頂板下沉量的增大最為明顯，兩幫的移近量增加不明顯。方案一頂板泥巖厚度較厚，適當地增加錨桿的間排距，減小錨索的長度，圍巖的位移有所增加，但是變形最大的兩幫僅為41mm，圍巖穩定性良好。方案二、三相對于方案一，頂板下沉量分別僅增大了2.5mm、6.2mm，而底板底鼓量分別減小了1.7mm、1.2mm。由此可知，在實現支護方式及參數優化的前提下，也能夠滿足巷道圍巖控制的要求。

圖4 不同支護方案圍巖位移情況

4 優化方案現場應用及礦壓監測

4.1 現場應用

根據以上模擬分析的結果，2#煤層回風斜巷采用優化后的支護方案如圖5所示。頂板錨索長度調整為5000mm，排距為2400mm，錨桿間排距為800×1200mm，兩幫錨桿間排距調整為1100×1200mm，頂板錨索的長度根據具體的地質條件進行調整。泥巖厚度大于2.1m，錨索長度為5000mm，泥巖厚度1.6～2.1m，錨索長4500mm，泥巖小于1.6m，錨索長度為4000mm，無泥巖情況下，取消頂板錨索。

4.2 礦壓觀測

2#煤層回風斜巷采用優化后的支護方案掘進期間，進行現場圍巖位移觀測，共布置4個測站，測站間距離約為30m，整理結果如圖6所示。現場監測結果顯示，回風斜巷圍巖明顯的位移變形集中在成巷后的30d內，兩幫最大的移近量為68mm，頂底板最大移近量為42mm。總體來說，2#煤層回風斜巷圍巖穩定性良好，優化支護方案是可行的。

圖5 回風斜巷優化后支護方案

圖6 回風斜巷圍巖位移觀測結果

5 結論

鑫基煤業2#煤層回風斜巷采用傳統的錨網索支護，通過理論分析、數值模擬等方法，研究發現原有支護方案設計過于保守。結合2#煤層回風斜巷詳細的地質條件，設計不同條件下的支護參數，通過數值模擬驗證了支護方案優化的可行性。現場應用后進行圍巖位移監測，兩幫最大的移近量為68mm，頂底板最大移近量為42mm，圍巖穩定性良好，有效提高了巷道的掘進速度和礦井的經濟效益。