平煤十二礦31030工作面進風巷破碎圍巖控制技術

趙云龍

（平煤股份十二礦，河南 平頂山 467000）

1 工程概況

河南平煤股份十二礦己16-17-31030工作面進風巷掘進工作面位于三水平東翼上部，巷道南鄰己14-31050上進風巷，北鄰己15-31030工作面進風巷、己15-31050回風巷，東鄰十二礦井田邊界，西鄰三水平四條下山，工作面上覆為己15-31030工作面采空區，掘進巷道沿己16-17煤層頂板施工，上部為己15煤層采空區，平均間距為0.7m，己16-17煤層整體賦存較穩定，結構簡單，煤厚0.7m～2.1m左右，平均煤厚約2m，平均傾角為8°。己16-17煤層直接頂為灰色砂質泥巖，均厚約0.7m；直接底為灰色砂質泥巖，均厚0.5m，基本底為灰白色細砂巖，均厚約1.8m。己15煤層平均厚度1.6m，其直接頂為灰色砂質泥巖，含大量植物化石，普氏硬度3～5，厚4.5m。

由于己16-17煤層上覆為己15煤層采空區，平均間距僅為1.2m，上覆煤層回采后覆巖會逐漸垮落，致使巷道圍巖整體較為破碎，故己16-17-31030工作面進風巷斷面選用拱形斷面，斷面尺寸為掘寬×掘高=5.76m×3.6m，現為保障巷道破碎圍巖的穩定，進行支護方案的設計分析。

2 破碎圍巖支護方案

2.1 支護原則

根據己16-17-31030工作面進風巷的圍巖地質條件可知，圍巖表現為破碎和軟弱的特征，基于該特征，確定巷道采用棚式支架與錨索相結合的耦合支護，通過U型鋼棚能夠對圍巖提供較高的支護阻力，以此能夠充分改善淺部圍巖的應力分布，充分提高破碎圍巖體的殘余強度；進一步通過錨索支護將支護體系與深部圍巖體連接到一起，充分發揮深部圍巖體的承載能力。通過充分發揮U型鋼和錨索的承載性能，以實現棚索協同支護，共同承載的特性。

現結合己16-17-31030工作面進風巷圍巖的特征，確定巷道采用棚索協同支護，并強化支架搭接強度和支架間圍巖強度，具體巷道采用的各項支護技術原理如下：

1）支架搭接強化技術：在U型鋼支護間采用新型雙槽夾板面卡纜，通過新型卡纜以增大U型鋼上的正應力，以此來提高鋼棚能夠對巷道為圍巖提供的工作阻力，采用新型卡纜后，能夠將U型鋼與卡纜間的受力狀態，防止支架在滑移后出現預緊力的大幅降低的現象，實現U型鋼卡纜更好的限位作用[1-3]，實現U型鋼支架間搭接處強度的強化。

2）支架間圍巖強化技術：通過在巷道表面采用強度的護表結構，通過高強度、高剛度的護表結構，使其即能夠適應圍巖一定程度的變形，又能夠提供一定的支護抵抗圍巖的變形，據此確定巷道表面采用高強度雙抗雙扣鋼筋網，實現U型鋼棚與鋼筋網片間扣緊，以提高U型鋼支架的整體承載能力和鋼筋背板的穩定性。

3）U型鋼-錨索協同支護：根據眾多U形鋼支架受力變形特征的分析結果可知[4-5]，U型鋼搭接處為支護的薄弱環節，現為提高支架的整體承載能力，在U型鋼支架搭接處，采用高承載能力、增阻快的預應力帶梁錨索，提高U型鋼支架的承載能力，更好的實現棚索耦合支護效果。

2.2 支護方案

基于上述確定的支護原則及支護技術，確定巷道采用29U型鋼支架+高強度雙抗雙扣鋼筋網片+高強度錨索進行支護，根據巷道賦存情況，可知巷道頂板與己15煤層采空區間的巖層均較為破碎，己15煤層直接頂為灰色砂質泥巖，普氏硬度3～5，厚4.5m，相對較為堅硬，為保障錨索的支護效果，設計將錨索錨固在該巖層的中上部，故設置錨索的長度為6.0m。

具體巷道支護方案中的參數如下：

1）U型鋼支架：U型鋼支架結構采用三節拱，頂梁與棚腿之間的搭接長度為0.5m，鋼棚棚距為550mm，支架間采用上下限位的夾板面的卡纜，搭接處每處安裝三道卡纜，其中采用1付普通卡纜，采用2付限位雙槽夾板面卡纜，雙槽卡纜的尺寸如圖1所示[6]，設置卡纜螺母預緊扭矩為300N·m。棚架間搭接處每處安裝一道拉板（采用寬×厚=70mm×10mm的鋼板加工），背板采用φ120～140mm的半圓木加工，支架的頂部、兩幫背緊、背牢、充滿填實。

圖1 雙槽夾板卡纜參數示意圖

2）鋼筋網片：鋼筋網片的主筋和副筋直徑分別為10mm和6mm，網孔大小為100×100mm，具體高強度雙抗雙扣鋼筋網片的參數如圖2a)所示；U型鋼支架搭接部位采用普通的鋼筋網片進行護表，網孔大小為100×100mm，具體普通鋼筋網片的尺寸參數如圖2b)所示。

圖2 鋼筋網片尺寸參數示意圖

3）錨索支護：錨索采用低松弛高強度1×19股鋼絞線，規格為Φ17.8×6000mm，巷道斷面內布置四根錨索，兩幫在距離底板300mm的位置處布置兩根錨索，錨索垂直于巷幫打設，另外在距離巷道頂板1500mm的兩肩處布置兩根錨索，錨索同樣垂直于巷道表面布置，錨固方式采用樹脂加長錨固，設置幫部錨索的間排距為1200×1000mm，頂板錨索的間排距為1400×1000mm，另外錨索支護時，使用U型鋼托梁進行配合支護，鋼托梁長度為750mm。為保障錨索在一定程度上適應圍巖的變形，設置錨索的預應力為100kN。

具體31030工作面進風巷棚索耦合支護形式及各項參數如圖3所示。

圖3 31030工作面進風巷巷道支護示意圖

3 支護效果分析

在31030工作面進風巷采用上述支護方案后，通過監測巷道掘進期間巷道表面位移情況來驗證巷道支護方案的應用效果，測點布置在滯后掘進工作面10m的位置，通過十字布點法進行圍巖變形量的監測，巷道表面位移中主要監測頂底板及兩幫移近量，每隔5d進行表面位移數據的測量與記錄，持續進行70d的監測作業，根據監測數據得出巷道表面位移、巷道表面位移速率曲線如圖4所示。

圖4 巷道表面位移監測結果曲線圖

分析圖4可知，巷道掘進后0～20d內為巷道表面位移變形的主要階段，該階段內頂底板和兩幫平均變形速率分別為7.6mm/d和4.7mm/d，相較于兩幫變形量，頂底板變形量較大的主要原因為巷道頂板上覆為己15煤層采空區，頂板巖層較為破碎，在掘進擾動下，頂板巖層會呈現出相對較大的變形；當巷道掘出20d后，此時巷道頂底板及兩幫變形速率逐漸降低，圍巖變形量也相應降低；當巷道掘出后40d后，此時巷道頂底板及兩幫變形量基本已達到穩定狀態，最終頂底板及兩幫變形量分別220mm和149mm，圍巖變形量處于合理范圍內，巷道圍巖得到了有效控制，滿足回采巷道的使用要求。

4 結論

根據己16-17煤層與己15煤層采空區間的賦存關系，結合巷道的具體條件，通過分析破碎圍巖的支護原則，確定巷道采用棚索耦合支護的方式進行圍巖控制，支護實施時采用29U型鋼支架+高強度雙抗雙扣鋼筋網片+高強度錨索進行圍巖控制，并基于支護原則和巷道圍巖特征進行具體支護參數的設計。根據支護方案實施后的巷道表面位移的監測結果，得出支護方案保障了圍巖的穩定，滿足回采巷道的使用要求。