綜放工作面回風巷錨網索聯合支護技術優化

（陽泉煤業(集團)平定裕泰煤業有限公司，山西 陽泉 045200）

1 工程背景

平定裕泰煤業15104工作面位于+510 m水平，埋深平均550m，主采15#煤層，西部為礦井邊界保護煤柱，東部為二水平采區大巷，北部為已開采15102工作面，南部為未開采15106工作面，見圖1。煤層平均煤厚5.4m，平均傾角6°。采用綜采放頂煤開采，采高平均2.4m，采放比1∶1.25。采用全部垮落法管理頂板。回采巷道全部沿煤層頂板布置，開切眼沿底板布置，機頭、機尾串煤回采，其中回風巷道為矩形，斷面尺寸為4.5 m×3.0m，斷面面積13.5 m2。回風巷幫部及底板均是實體煤，直接頂由砂質頁巖、泥巖等較軟弱巖體組合而成，平均厚度為3.6～4.0m，節理、裂隙發育充分，基本頂為石灰巖，灰白色，成分為石英、長石，平均厚度為5.0～7.5m，質地較堅硬。

15104綜放面回風巷兩幫為實體煤、頂板為含夾層的軟弱頂板，巷道掘進過程中受上部15102工作面放頂煤影響，動壓顯現強烈，加之巷道斷面較大，出現嚴重煤壁脫落、頂板下沉的情況。巷道原支護形式：頂板全部為短錨索支護，型號為Φ18.9 mm×4200 mm，間排距1000 mm×900 mm，每排布置4根；幫部全部為錨桿支護，型號為Φ20 mm×2400 mm，間距排距800 mm×900 mm，上下錨桿距頂底板均為300 mm 見圖2。原支護形式不能完全控制巷道穩定，增加了巷道維修工作量，對礦井高效安全生產帶來了不利影響。

圖1 15104工作面布置

圖2 原支護方式

2 15104回風巷穩定性分析

2.1 巷道頂板受力環境嚴峻

15104工作面埋深平均達550m，地應力平均達13.8MPa，上部15102工作面與15104回風巷之間煤柱僅為15m，15102工作面開采擾動應力強烈，平均應力集中值在40MPa，而巷道煤層抗壓強度僅為15MPa、頂板泥巖抗壓強度僅為33MPa，圍巖承載能力與實際應力環境不匹配，帶來應力集中破壞現象。強烈的15102工作面采動影響和15102采空區側向壓力對15104回風巷道掘進的影響顯著，造成巷道反復承載，圍巖內部裂隙、孔隙擴展發育，圍巖完整性喪失，逐步失去承載能力[1-2]。

2.2 原支護方式控制效果差

巷道頂板3.6～4.0m的砂質頁巖與泥巖承載力學強度較低，對巷道頂板結構的穩定性產生影響較大。軟弱結構巖體巖性含黏土成分較多，易膨脹崩解，容易風化，導致周圍巖體進一步破碎損壞；從頂板結構組成和支護結構來看，原支護方式短錨索支護強度低、支護范圍較分散，巷道頂板處在支護體支護范圍之外，軟弱部位與上方堅硬頂板不能形成穩定錨固體，受開采動壓影響，導致頂板整體失穩[3-4]。

3 15104回風巷道聯合支護技術優化

3.1 聯合支護原則

根據上述分析可知，在巷道頂板存在軟弱結構，同時支護方案不能滿足控制要求時，研究采用聯合支護的方式進行巷道掘進期間圍巖控制[5]。首先，要實現對頂板軟弱夾層的整體性控制，選擇高強度高預應力短錨索將頂板所有層位圍巖構筑成錨固體；再者，應該選擇合適的支護材料，保證錨索高預應力、強破斷力、強承載力的狀態，能夠使得錨索支護應力場有效覆蓋巷道頂板，防止出現拉伸破斷，形成穩定強力的支護承載體；最后，針對15104回風巷道兩幫為煤體的實際情況，需要對幫部和頂板繼續采取加強支護，擴大受力面積，改善圍巖承載狀態，控制巷道整體變形。

3.2 支護參數設計優化

優化后的回風巷道支護方案見圖3，支護參數具體如下：

頂板支護：整體支護方式為短錨索、加長錨索、鋼帶網梁組合支護。頂板短錨索型號為Φ21.6 mm×5250 mm，材料為1×7 單根1860 級鋼絞線，間排距720 mm×800 mm，一排6根，預緊力≥295 kN；加強錨索規格同短錨索，長度為7300 mm，一排1根。錨索均垂直巷道頂板打設，其中加強錨索在巷道中線位置，錨索錨固劑均為2卷MSCK23/100的樹脂膠泥固化劑。托盤型號設計為300 mm×300 mm×16 mm，菱形金屬網規格為5200 mm×850 mm，其中網孔設計為80 mm×80 mm，鋼帶為M型，7 孔布置，孔間距720 mm，規格為4500 mm×176 mm×6 mm，屈服強度＞235MPa，搭接長度為200 mm，托梁型號為29U型鋼，長度1000m，承載能力230 kN。

幫部支護：幫部整體支護方式與頂板不同，幫部以錨桿支護為主、輔以加強錨索。錨桿采用的規格為Φ20 mm×3000 mm，材料為螺紋鋼，間排距870 mm×800 mm，一排按照4根布置，預緊力每根≥50 kN，右幫加強錨索規格與頂板加強錨索相同，每排布置加強錨索2根，分別按照中線對稱打設，間排距2300 mm×1600 mm，左幫加強錨索規格同右幫，間排距1600 mm×950 mm，托梁按照巷道方向布置，套棚距離5m、棚架上穿4根梁。錨桿使用的錨固劑為1卷MSCK23/60樹脂膠泥固化劑，托盤設計采用350 mm×120 mm×40 mm，菱形網規格設計采用3100 mm×850 mm，其中網孔選取為80 mm×80 mm。

圖3 改進支護方案

4 應用效果分析

采用優化的支護方式后，需要對巷道支護效果進行監測分析，監測方案設計為在掘進迎頭后50m的新支護方案段內布置監測測站，對巷道繼續掘進過程進行圍巖變形監測，監測周期為45 d，統計巷道圍巖變形監測值，繪制的表面位移監測曲線結果見圖4。

圖4 巷道表面位移監測曲線

由圖4可知，隨著巷道不斷掘進，圍巖表面破壞不斷增加，具體表現在圍巖變形量上是：回風巷道無論是頂板下沉、底板移近還是左右幫移近的變形量，均表現為階梯狀上升態勢，其中巷道兩幫移近變形值穩定在21～23 mm，頂底板變形移近量穩定在19～22 mm，頂板下沉幅度以及兩幫變形幅度均較小，巷道整體失穩可能性不大。再結合巷道頂板布置的離層儀監測數據可知，頂板范圍內離層量為3～5 mm，未出現大范圍不連續頂板，頂板整體性保持較好。從位移變化和離層變化來看，巷道圍巖變形情況良好，變形量均在可控范圍內，結合錨索測力計顯示結果，頂板短錨索承載在14MPa穩定波動，在巷道繼續服務期間，未發生明顯坍塌現象，說明15104回風巷道采取的聯合支護方式是有效的。

5 結語

15104回風巷道頂板圍巖結構軟弱，原錨網與錨索聯合支護支護參數不合理，受地應力和動壓影響，容易產生變形破壞，喪失承載能力。在結合理論分析和礦井現有支護材料基礎上，確定頂板采用短錨索+加強錨索支護，幫部采用錨桿+加強錨索支護的方式進行掘進期間巷道圍巖控制。新支護方式應用后，頂板短錨索受力基本穩定在14MPa，未出現拉伸破斷，巷道頂底板移近穩定在20 mm、兩幫移近穩定在22 mm，圍巖整體性好、可控性強，實現了放頂煤開采軟弱頂板巷道控制要求。