臺頭礦7202工作面回風順槽支護設計

吳 博

（山西鄉寧焦煤集團臺頭煤焦有限責任公司，山西 臨汾 042100）

受成巖環境和沉積過程的影響，我國煤系地層中部分巖體成巖質量差。在該類巖體中施工的巷道具有自穩時間短、巷道變形量大、變形時間長的特點，極易出現離層甚至冒頂，給煤礦安全生產帶來隱患[1-5]。臺頭煤業2號煤層頂板中存在一層軟弱夾層，采用常規的錨桿索支護后，工作面順槽礦壓顯現劇烈，維護工程量大，影響了煤礦的正常生產。

1 工程概況

臺頭煤業位于山西省臨汾市，7202工作面位于+790 m水平，地面標高+1187～ +1020 m，井下標高+820～ +840 m。工作面開采2號煤，煤層厚度2.80～3.00 m，平均厚2.90 m，全區穩定可采。煤層頂底板結構如圖1。

圖1 2號煤頂底板巖性

7202工作面回風順槽沿煤層底板掘進。巷道掘進斷面為4700 mm×3100 mm（寬×高），設計掘進長度1100 m。

2 圍巖變形特征及原因分析

2.1 變形特征

原工作面順槽掘進后斷面收縮率大，對生產造成了一定的影響，主要變形特征為：

（1）變形速度快

頂板保持穩定的時間較短，變形劇烈，來壓快。現場觀測表明，頂板最大變形速度可達70 mm/d。在掘進過程中就會出現頂板冒落的現象，支護不及時極有可能造成大范圍冒頂。

（2）初期變形量大

弱膠結巷道在掘進后頂板表現出明顯的非線性特征，巷道開挖后一周內的變形量達到變形總量的60%以上。

（3）變形時間長

巷道掘進后，巷道頂板及兩幫急劇變形，頂板變形速度穩定的時間可達35 d以上。持續觀測表明，60 d后頂板仍以0.60 mm/d的速度下沉。

（4）部分支護構件發生破壞

部分地段的錨桿托盤外翻，甚至桿體斷裂，錨索托盤被吸入頂板，局部出現裂紋等，在斷層、破碎帶等不良地質構造附近尤為明顯。

2.2 原因分析

頂板中的軟弱夾層存在是造成巷道變形大的主要原因，如圖2所示。7202回風順槽軟弱夾層位于巷道頂板以上2 m左右，處于錨桿錨固區域的邊緣。沿軟弱夾層的上下邊緣容易發生脫離，從而出現離層甚至冒頂。夾層為松散破碎的巖塊，強度低，不利于圍巖形成穩定的自承載結構。

圖2 軟弱夾層位置示意圖

另外錨桿索等出現桿體斷裂，說明桿體材料的力學性能選取不合理，圍巖載荷超過了桿體的極限強度，支護體破壞以后，對圍巖的控制水平降低，造成圍巖承載能力不能充分發揮，巷道變形量大。

3 控制原理及支護設計

3.1 控制機制

對含軟弱夾層頂板的巷道支護，主要包括強化巖體強度、強化錨桿支護性能和強化圍巖的承載結構等方面。

（1）強化巖體強度

研究表明，對于巷道周邊處于低圍壓狀態下的巖體，其強度與圍壓大小成正比例關系。隨著圍壓的增大，圍巖的承載能力增強。巷道掘進后，及時安裝高預應力錨桿，改善淺部巖體的受力狀態，通過錨桿的抗剪阻滑作用，避免裂隙的擴展，提高承載能力。

（2）錨桿承載性能強化

在提高錨桿桿體強度的同時，采用高剛度的護表材料及相關附件，巷道掘進初期提供高支護力，在頂板圍巖的后期變形中實現高增荷，保持頂板穩定。

（3）頂板圍巖結構的強化

將巷道表面淺部圍巖承受的高應力向巷道頂板深處轉移，將淺部圍巖和軟弱夾層與深部圍巖連接到一起，以多種形式的聯合支護提高頂板的整體性，促進承載結構的強化，利用不同支護體和圍巖的相互作用，減少頂板的松動破壞。

3.2 支護方式的選擇

針對7202回風順槽的變形特點及變形機理分析，確定采用高強錨桿和錨索桁架的聯合支護方式。

（1）高強錨桿支護體系

在采用高強度錨桿桿體的同時，增加樹脂藥卷的用量，同時選用高強度托盤，優先選用鋼帶護頂等，提高錨桿支護體系的護頂能力，減少由于頂板下沉引起的破壞，提高巷道頂板的整體性。

（2）錨索桁架支護系統

錨索桁架是一種主動支護方式，利用連接件將兩根錨索連接到一起，通過施加預緊力在巷道頂板淺部形成擠壓加固層，提高頂板的抗彎能力。由于錨索桁架的錨固點位于巷道上方的穩定巖層內，因此，隨著頂板的下沉，錨索桁架的支護阻力隨之增大，對頂板的擠壓作用增強。當受載超過桁架的工作阻力時，錨固點內移，應力重新分布，達到新的平衡。

3.3 支護設計

根據7202工作面的實際情況，結合工程類比等方法，確定回風順槽支護方案如圖3。

圖3 7202回風順槽支護設計（單位：mm）

（1）高強頂錨桿系統

頂錨桿為Ф25 mm×2400 mm高強螺紋鋼，牌號為BHRB500。錨桿間排距800 mm×800 mm，每排布置6根，中間4根垂直頂板。錨桿使用加厚螺母和拱形調心托盤，配三卷Z2360樹脂藥卷全長錨固，錨固力不得低于200 kN，預緊扭矩不得小于220 N?m。每排錨桿用Q235鋼材制作的W鋼帶連接到一起，鋼帶厚度為5 mm。頂網為6 mm鋼筋制成的金屬網，網格100 mm×100 mm。

（2）桁架錨索支護

頂錨索全部采用桁架的形式，錨索為1×19結構，規格Ф22 mm×7500 mm，鉆孔深度6.0 m，距兩幫各1100 mm，錨索桁架底部跨距為2500 mm，向巷道兩幫方向傾斜15°，排距為800 mm。每根錨索采用4卷Z2360樹脂藥卷加長錨固。

（3）巷幫支護

幫錨桿為Ф20 mm×2200 mm 的左旋無縱筋螺紋錨桿，牌號為BHRB335，間排距800 mm×800 mm，最上位錨桿距頂板300 mm，向上傾斜15°布置。巷道每排布置4根錨桿，用梯子梁連接。每根錨桿用兩卷Z2360樹脂藥卷錨固，錨固力不低于120 kN，預緊扭矩不低于200 N?m。

4 應用效果

7202工作面回風順槽掘進過程中，每隔50 m設置一個測站，記錄巷道頂底板移近量和兩幫收斂量，同時安設離層指示儀，淺部基點取2.0 m，深部基點取6 m。

4.1 巷道變形觀測

以3號測站為例，該測站觀測到的巷道變形情況如圖4。

圖4 3號測站巷道變形觀測結果

由觀測結果可以看出，在該支護方式下，巷道變形時間仍然較長，掘進30 d左右變形基本穩定，但巷道頂板下沉量小，最大下沉量45 mm，較之前的工作面順槽減沉60%以上。最大底鼓量23 mm，兩幫收斂20 mm，對生產影響較小。

離層觀測數據表明，巷道掘進后，離層增長速度慢，并且10 d左右達到穩定，頂板總離層量在20 mm以內，主要為淺部離層，桁架錨索錨固的深部頂板穩定，離層值較小。

4.2 錨桿受力監測

在錨桿端部安裝錨桿測力計，對錨桿錨固力進行監測。監測表明，與巷道表面圍巖同步，巷道掘進35 d后，錨桿錨固力達到穩定值。頂錨桿最大受力為359 MPa，幫錨桿最大受力為273 MPa，低于錨桿的屈服強度，未有錨桿及支護體損壞的情況。

5 結論

（1）臺頭礦2號煤工作面順槽具有變形速度快、變形量大、變形時間長的特點，而頂板軟弱夾層的存在及支護材料的選取不合理是主要原因。

（2）頂板含軟弱夾層巷道的變形破壞原因在于夾層本身的強度低，膠結性差，沿層面極易產生離層破碎區，導致支護體系失效。

（3）通過采用錨索桁架、高強錨桿及配件等實現了對巖體強度和頂板圍巖結構的強化，在7202工作面回風順槽取得了較好的支護效果，可為類似條件下的回采巷道支護提供參考。