西曲礦12312 工作面回采巷道圍巖支護優化研究

要華偉

（霍州煤電集團有限責任公司，山西 霍州 031400）

0 引 言

三軟煤層為煤體、頂底板均為軟巖的煤層，隨著礦井開采深度增加，三軟煤層開采量呈增加趨勢[1～2]。在三軟煤層中掘進巷道時，受到巷道頂底板強度低、煤層松軟及容易垮落等因素影響，巷道圍巖變形呈頂底板、巷幫變形量大，變形速度快等特點，從而給巷道圍巖控制帶來較大挑戰[3～4]。文中就以西曲礦12312 工作面回風巷掘進為工程背景，在分析巷道圍巖變形特征基礎上，提出采用架棚、錨桿索、注漿技術對圍巖進行控制，現場取得較好應用效果。

1 工程概況

12312 工作面沿2.3 號煤層施工，2.3 號煤厚度穩定，煤厚平均4.57 m，傾角2°～7°，一般為4°，開采范圍內地質構造條件中等。根據有資料顯示，回風巷掘進至62 m 處揭F1356 斷層，落差6.0 m，該斷層走向與巷道走向大致平行，落差大、伴生構造較多，建議施工隊組加強頂底板及側幫支護。另外，工作面施工區域2.3 號煤上部03 號煤層間距較薄（1.2～3.3 m），建議施工隊組加強頂板管理及支護。2.3 號煤直接頂板為1.23 m 的泥巖，直接底板為2.63 m 長石英細粒砂巖,頂底板巖性參數見圖1。

圖1 2.3 號煤層頂底板巖性

12312 回風巷掘進采用綜掘方式，EBZ-160 綜掘機割煤、轉載，DSJ800/30/2×22 膠帶輸送機、SJ-80S 膠帶輸送機、DSJ800/30/2×11 膠帶輸送機運煤。

受到12312 回風巷頂底板巖性松軟以及煤體自身裂隙發育等因素影響，12312 回風巷均過程中存在圍巖變形嚴重、控制困難等問題，給巷道安全高效掘進帶來較大制約。

2 巷道圍巖變形特征分析

12312 回風巷直接頂為泥巖、03 號煤層粉砂巖等互層，直接底為黏土巖以及砂質泥巖，頂底板巖層強度以及承載能力均較低。巷道在掘進、支護完成后圍巖變形表現如下特征[5～6]：

12312 回風巷埋深平均為210 m，構造應力以及地應力對圍巖變形影響不顯著。12312 回風巷在掘進完成1～2 個月時間內，圍巖快速變形，甚至部分位置巷道持續變形時間超過6 個月。根據巷道圍巖變形監測數據顯示，回風巷在掘進及支護完成的15 d 內，變形速度可達到38 mm/d，初期變形量可達到圍巖變形總量的60 %以上，具體回風巷220 m 位置支護完成2 個月后現場情況見圖2 所示。巷道頂底板以及巷幫均表現出較大變形，其中頂底板變形量超過1 000 mm、巷幫收斂量超過1 300 mm，在后期需要對巷道進行頻繁修整并采用單體支柱控制頂底板變形，修復工程量繁重、投入高。

圖2 巷道圍巖變形現場圖

3 巷道圍巖支護優化

3.1 巷道原支護設計

頂錨桿：采用φ20 mm×1800 mm 的無縱肋螺紋鋼錨桿，使用碟形鐵托片，采用全長錨固。頂錨桿為矩形布置，每排打設4 根。頂板錨桿用長3.9 m 鋼帶連接。

頂錨索：鋼絞線，規格φ21.6 mm×6 200 mm，排距為2.0 m×3.0 m。

幫錨桿：煤柱幫為φ20 mm×1 800 mm 的螺紋鋼錨桿，回采幫為φ20 mm×1 800 mm 玻璃鋼錨桿；幫錨桿布置3 排、呈五花形，排距為1.0 m×1.0 m，頂板下0.6 m 布置第一排錨桿。巷幫掛鐵絲網，規格為2.3 m×4.0 m。具體巷道支護設計見圖3。

圖3 巷道原支護設計斷面圖（單位：mm）

3.2 支護優化

由于巷道在原支護方式下存在圍巖變形嚴重問題，為此根據頂底板以及煤層松軟特征，結合工程類比法[7-8]對巷道支護進行優化，具體采用架棚+錨桿索+注漿聯合支護方式支護圍巖，巷道圍巖控制以梯形鐵棚支護為主,以錨桿索、注漿支護為輔。具體優化后的斷面支護見圖4 所示。為了有效控制頂板離層,減輕頂板上覆巖層對棚梁的壓力,并保證回采順利以及回收鐵棚時的安全，巷道支護在采用鐵棚支護的同時，在鐵棚中間采用φ20 mm×1 800 mm的中空注漿錨桿對頂板進行加固, 達到組合梁的目的，以提高頂板的自承能力。

圖4 優化后的巷道支護斷面（單位：mm）

架棚為11 號礦用工字鋼, 棚梁長3.5 m（凈寬3.3 m）、棚腿長為3.4 m（凈高3.2 m），棚距為1.0 m，盤幫勾頂為盤6 勾6，棚子間兩梁頭及兩棚腿底部各打設1 根撐木，規格為：1.0 m×0.05 m×0.05 m 的紅松；棚腿柱窩深度：150 mm。每架棚子間打設4 根φ20 mm×1 800 mm 無縱筋螺紋鋼錨桿（根據巷道頂板巖性變化，若錨桿頂端為03 號煤層則錨桿規格改為φ20 mm×2 400 mm），間排距1.0 m×1.0 m。錨索為鋼絞線，規格φ21.6 mm×6 200 mm，間排距2.0 m×3.0 m。具體支護使用的材料見表2 所示。在架棚、錨桿索支護基礎上，為進一步提升頂板巖層承載能力以及頂板穩定性，在巷道頂板按照 2 m×2 m 間排距布置注漿鉆孔，鉆孔孔徑42 mm、深度2 500 mm，注漿壓力設計為3.0 MPa，注漿材料為水泥單液漿。注漿時應密切關注注漿壓力以及頂板漿液滲漏情況。

表2 支護材料及規格

3.3 巷道圍巖支護優化效果

布置測點監測圍巖變形，并對比原支護以及優化后巷道圍巖變形情況，具體見圖5 所示。

圖5 巷道圍巖優化支護效果

從圖5 看出，支護初期巷道圍巖變形增加速度較快，但是最大為9.5 mm/d，支護完成20 d 后圍巖變形即趨于穩定，最終巷道頂底板變形量穩定在243 mm、巷幫收斂量穩定在265 mm。相對于原支護方案，優化后的頂板變形量降低78 %以上、巷幫收斂量降低81%。12312 回風巷采用架棚、錨桿索、注漿支護方案后，巷道頂底板、巷幫變形問題得以有效控制。

4 總 結

1）12312 回風巷沿著2.3 號煤層頂板掘進，受到頂底板以及煤層自身松軟影響，巷道采用錨網索支護時圍巖變形量較大，其中頂底板、巷幫變形量分別可達1 000 、1 300 mm 以上，需要頻繁對巷道修整，給巷道后續掘進以及使用帶來較大制約。

2）在分析回風巷圍巖變形特征基礎上，提出采用架棚+錨桿索+注漿方式對巷道支護參數進行優化，并對優化后的支護方案進行設計。現場應用后，12312 回風巷頂底板、巷幫變形量分別控制在243 、265 mm 以內，頂底板、巷幫變形量較優化前分別降低78%、81%以上。