11309工作面順槽支護方案優化及效果分析

白艷飛

（晉能控股煤業集團泰山隆安煤礦，山西 保德 036600）

為確保巷道圍巖支護可靠，支護設計要充分結合煤層頂底板圍巖特性和地質條件，選擇合理的掘進層位，控制好層間距，依靠堅固性較好的巷道支護，從而減少人工材料的投入，確保作業環境和支護強度的安全可靠[1-2]。鉆孔窺視可以在井巷工程施工中直觀、清晰地觀察錨桿、錨索眼壁的圍巖情況，對于孔內的裂隙發育、巖石破碎、煤層情況等能夠進行直觀判斷與評價，從而為巷道支護設計提供現場依據，具有較高的實踐應用價值。

1 概況

泰山隆安煤礦11309工作面位于11#煤三采區中部，工作面東部為實體煤，西部為井田邊界及保德煤礦，北部為11#煤南翼主要回風大巷，向南掘進范圍內為實體煤。工作面沿走向布置，設計長度1325 m，切眼設計長度為240 m，布置有11309運輸順槽、回風順槽，外段布置有一條回撤聯絡巷，為工作面采閉后回撤支架服務。工作面主采煤層為11#煤，上下兩巷沿煤層底板掘進，與東部11307備采工作面留設有30 m寬保護煤柱。11309工作面位置關系平面示意圖如圖1。

圖1 11309工作面位置關系平面示意圖

工作面11#煤層厚度為1.4～2 m，均煤1.6 m，呈塊狀，局部含有夾矸。煤層直接頂為泥巖，局部偽頂為炭質泥巖，呈深灰色，巖層厚度為1.8 m；基本頂為粗粒砂巖，厚度在3.5～4 m間，呈灰色-灰白色，層理明顯，結構穩定。直接底為砂質泥巖、粗粒砂巖，厚度為4.6 m；基本底為粗砂巖，均厚10.3 m。根據工作面周邊已探查的地勘鉆孔，對該工作面巖石力學特征進行實驗室分析，測得力學特征主要參數見表1。

表1 11309工作面主要巖石力學參數

2 鉆孔窺視分析

為準確掌握巷道周邊圍巖裂隙發育情況，根據現有巷道位置關系及支護變形情況，在11309工作面回撤通道與運輸順槽共布置6個測點進行鉆孔窺視。窺視位置示意圖如圖2。

圖2 窺視位置示意圖（m）

為直觀了解錨桿、錨索周邊圍巖不同孔深裂隙發育情況、應力集中情況及受力特征等信息，以回撤聯絡巷和運輸順槽交叉口的Ⅰ號測點為例分析，選用8 m長錨索進行錨固，對巷道頂板和巷幫均布置探孔觀測，利用窺視儀探管對鉆孔內煤巖層和裂隙情況進行觀察，從而對方案進行優化，提高支護強度。鉆孔窺視效果圖如圖3。

圖3 鉆孔窺視效果圖

根據鉆孔窺視結果顯示：在開孔至里段4.8 m為煤層，在5～8 m段為砂質泥巖，開孔向里1.61 m處孔壁顯示存在一條明顯的縱向裂隙，深入探管至2.6 m處孔壁出現不均勻、不規則橫向環狀裂隙，呈現出擠壓破碎狀態，2.85 m處出現兩條縱向裂隙，且孔壁破碎，直到孔深4.8 m過煤段后，孔壁趨于均勻規則，但孔徑明顯變小，說明該段受力較大，處于應力集中區域，造成鉆孔縮徑，7.16 m到8 m終孔段，孔徑均一，無裂隙發育，巖層分布較平緩，說明處于弱應力區，鉆孔成型較好。

3 支護設計優化及效果分析

3.1 優化支護設計

煤礦巷道頂板支護中，常采用錨桿錨索+金屬網復合支護方式對頂板進行加固，通過均勻打設錨桿、錨索對頂幫圍巖起到耦合支護作用，而且規則的間排距布置，能夠有效分解圍巖應力，使得集中應力得到分散，從而減輕作用在巷道頂幫的應力，減緩移近量和巷道變形[3-4]。

通過對6個測點的窺視圖可以分析得出結論，在鉆孔內2～5 m區段由于受到裂隙發育影響，孔內巖性較破碎，處于巖石強度弱化區，造成應力較為集中；5～8 m區段，巖層分布較為穩定，巖石自然強度較高，圍巖應力相對較弱。因此，根據鉆孔內窺的煤巖層性質及規律進行支護方式設計優化如下：原有舊支護方式采用左旋螺紋鋼錨桿，由于螺紋長度的限制，導致錨桿錨固位置處于巖層破碎帶，導致錨固失效。在此基礎上，優化方案選用高強度右旋螺紋鋼錨桿進行支護，且錨桿、錨索支護參數進行調整，將原有錨索設計間排距1600 mm×2000 mm，減少為1400 mm×2000 mm，錨索長度由6300 mm調整為8200 mm；將原有的左旋錨桿調整為多種規格錨桿分區布置，即頂板錨桿選用Φ22 mm×2500 mm左旋錨桿，而幫部支護選用Φ20 mm×2000 mm右旋全螺紋錨桿，頂幫錨桿間排距分別為1100 mm×1000 mm、1000 mm×1000 mm。優化后的支護設計圖如圖4。

圖4 優化后支護設計圖（mm）

3.2 效果分析

為觀測優化后的支護方案設計效果，在6個鉆孔窺視儀觀測點中打設的錨桿頂端加裝液壓枕，用于實時采集錨桿承壓后的受力變化情況。經過數據對比分析發現，在打設錨桿后10 d內，錨桿受力變化波動較明顯，處于應力重新分布疊加時段。當錨桿發揮作用，應力分布趨于平衡之后，受力不再產生變動。以其中1#、2#、3#三個測點為例，1#測點在第3天應力達到峰值2.1 MPa，之后處于波動期，直到第13天穩定在1.6 MPa左右；2#測點在第5天應力達到峰值1.7 MPa，之后應力處于動態平衡狀態，基本穩定在1.5 MPa左右；3#測點在第4天應力達到峰值4.3 MPa，之后下降穩定在3.3 MPa左右。說明在打設錨桿之后支護穩定強度與應力峰值之間變化不大，雖然略有下降，但能夠處于動態平衡之中，維持良好的支護效果，減少圍巖的變形量。優化設計后支護強度動態曲線圖如圖5。

圖5 優化設計后支護強度動態曲線圖

除對錨桿支護強度分析外，對于優化設計后頂板移近量做出數據分析。通過預設光纖頂板離層儀在線監測系統采集數據，分別對222測點和226測點的多個采集通道數據分析。將采集器布置在孔深7 m和3 m處，每個測站可通過四個通道傳輸數據。經過比對發現，在初期觀測的前10 d頂板下沉移近量變化較大，在巷道掘進過后的25 d后，兩處測點的移近量再次增大，而且增速加快，說明在第10天后頂板相對穩定，移近量較小，支護效果起到作用，而當周期來壓出現時，頂底板移近量加快。優化設計后頂板移近量變化如圖6。

圖6 優化設計后頂板移近量變化曲線圖

4 結論

（1）巷道在采掘活動過程中容易導致周邊圍巖原有應力受到擾動影響，打破力學平衡，造成巷道支護變形加快、出現頂板下沉和憋幫現象，尤其是在出現圍巖裂隙發育區域，原巖的支撐應力減弱，導致巷道變形增大。

（2）利用鉆孔窺視技術分區段對圍巖進行內窺分析，及時發現破碎和裂隙區域，有針對性地選擇錨桿支護打設深度，調整錨固巖層層位，從而提升原巖和支護復合作用效果，提高支護強度，減少巷道變形量，便于優化支護設計。

（3）在支護方案優化后，設置測站采集數據，從不同方面采集參數，驗證優化后的支護效果，經過數據反饋分析，進一步調整支護方式，提高支護強度，延長巷道服務年限。