8103工作面回風巷沿空掘巷耦合均讓壓支護應用

于 敏

（晉能控股煤業集團同發東周窯煤業有限公司，山西 大同 037000）

8103工作面回風巷采用小煤柱沿空掘巷，煤柱寬度為6 m，在原支護設計時，巷道壓力顯現明顯，巷道變形嚴重。通過支護優化設計，并在掘進期間通過礦壓綜合監測，巷道變形得到有效控制[1]。

1 概況

同發東周窯礦山4#層8103綜放工作面地面標高1409～1453 m，井下標高907～939 m，蓋山厚度為502～514 m。8103工作面開采二疊系下統山西組4#煤層，北部為山4#層一盤區三條采區巷道，西部為山4#層一盤區8102工作面采空區，5103巷與8102工作面2102巷間隔6 m保護煤柱，南部及東部均為實煤區，如圖1。4#煤層總厚度4.12～10.3 m，平均7.21 m，純煤厚度為6.63 m，煤層結構復雜，煤層傾角0°～10°，平均5°。根據工作面周邊地質鉆孔柱狀圖和5103回風巷揭露綜合分析，山4#煤層含夾矸2～4層，最大為2.4 m，最小為0.4 m，巖性多為砂質泥巖、炭質泥巖、泥巖、煌斑巖。煤層基本頂為細粒砂巖，厚度為21.6～36.1 m，平均28.81 m，中夾薄層細砂巖；直接頂為炭質泥巖，厚度為0.3～3.9 m，平均2.61 m，泥質結構，塊狀構造，局部火成巖侵入；直接底為粉砂巖，厚度為4.1～8.9 m，平均6.5 m，深灰色-灰黑色，巨厚層狀，水平層理發育；基本底為中砂巖含礫粗砂巖，厚度45.1～53.1 m，平均49.1 m，巨厚層狀。

圖1 8103工作面布置圖

根據鄰面8102面回采期間揭露以及鉆孔煤層結構看，該工作面局部地區有煌斑巖侵入。斷層附近圍巖破碎，對掘進造成一定的影響，在掘進過程中應加強巷道頂板支護。該區域煌斑巖侵入煤層，煌斑巖厚度不穩定，需加強對煤層厚度探測，確保巷道沿煤層底板掘進。

2 8103工作面回風巷原支護方案

2.1 原支護設計方案

8103回風巷巷道支護如圖2。頂板支護以錨索為主要支護形式，加以金屬網輔助維護頂板，具體支護參數見表1。

圖2 8103工作面回風巷原支護設計示意圖（mm）

表1 回風巷原支護參數

其中兩根靠近煤幫的錨索與頂板的夾角為70°～80°，錨索與煤幫間的距離為0.2 m，其余四根錨索均與頂板保持垂直，兩幫的錨索托盤長邊與巷道走向保持一致，其余錨索托盤布置方式則為縱橫交替。

幫部支護以錨桿、錨索為主要支護形式，加以金屬網輔助維護兩幫煤墻，幫部支護排距為0.9 m，錨索直徑為17.8 mm，長度為4300 mm；錨桿直徑為18 mm，長度為2400 mm，三根錨索、錨桿的間距依次為0.6 m、0.8 m、0.9 m，托板均縱向布置。

2.2 原支護方案礦壓顯現情況

8103回風巷巷道已掘進300 m，受臨近8102工作面回采后的動壓影響，統計8103回風巷變形段的情況，發現8103回風巷整體變形較為顯著，巷道掘進期間，由于圍巖松軟嚴重，片幫冒頂頻繁，井下煤炮頻繁。為改善相關狀況，在掘進前超前布孔注漿，對壓力大的地段采取了用9.3 m的錨索進行補強。巷道支護成本較高，但效果一般。

3 回風巷支護優化后設計方案

3.1 耦合均讓壓支護設計

根據彈塑性力學理論和現場經驗，巷道開挖后在巷道圍巖將產生松散區、塑性變形區和彈性區。支護系統將經受圍巖的變形過程并在該過程中承載，支護體的受力大小和允許圍巖變形關系密切，容許變形過大或過小，均會影響巷道圍巖的穩定性。根據彈塑性理論，圍巖變形和應力關系如下：

式中：pa為圍巖應力（支護阻力），MPa；ur0為圍巖表面位移，mm；r0為巷道等效區半徑，m；c為巖石內聚力，MPa；σz為和采深成正比的垂直應力，MPa；μ為泊松比，取0.5；E為塑性區平均變形模量，取1.96×104MPa；φ為巖石內摩擦角，（°）。

根據礦井煤層物理力學特征和采礦條件，在上述公式的基礎上做出圍巖表面位移和支護阻力特性曲線，如圖3。

圖3 圍巖表面位移和支護阻力特性曲線

在采深較大的情況下，必須讓圍巖在一定程度內發生變形，在巷道支護系統內支護變形和支護阻力必須和圍巖的變形形成耦合。固在大采深條件下必須采用適當的耦合讓均壓手段。

3.2 正常地段8103回風巷錨桿支護初始設計

（1）頂板支護

錨索具體參數：錨索的安裝應力大于16 t；錨索直徑21.8 mm；采用19股預應力鋼絞線；配件為錨具、球墊圈、26-30TB讓壓管；托盤280 mm×270 mm×14 mm高強可調心拱形錨索托板，與JM錨索梁配套使用；錨索布置為每排6根，錨索排距為1000 mm，間距1000 mm；每套錨索采用2支錨固劑，一支MSCK2360，一支MSZ2360，錨固長度1486 mm；錨索方向全部垂直于頂板。

JM6高強型錨索梁厚度為6 mm，每米質量為18.7 kg，每米護頂面積2.5×105mm2，抗彎截面模量8781 mm3，最大承載能力（2000 mm間排距）1575 kg[2-3]。

（2） 巷幫支護

錨索具體參數：錨索的安裝應力大于10～12 t；錨索直徑17.8 mm；錨索為7股預應力鋼絞線；配件為索具、球墊圈、21-5T讓壓管；托盤300 mm×300 mm×12 mm 高強JM托盤；錨索布置兩幫各3根，錨索排距為1100 mm，間距900 mm，上部錨索距頂板距離為400 mm。

錨 固 劑：每 套 錨 索 采 用1支，一 支MSZ23120。

鉆頭直徑：28 mm。

8103回風巷錨桿錨索支護布置如圖4[4]。

圖4 8103工作面回風巷優化支護設計示意圖（mm）

3.3 巷道礦壓監測結果

在8103回風巷中設置了2個綜合監測測站，1#和2#測站巷道礦壓綜合監測測站分別位于8103回風巷道頂板新支護第75排鋼帶和第127排鋼帶處，每個測站包括巷道表面位移量測點、頂板離層儀和錨桿錨索受力監測[5]（錨索測力計編號說明：頂錨索從左到右依次標號，幫錨索從上到下依次標號）。如圖5～圖7。

圖5 1#測站巷道表面位移監測曲線

圖6 1#測站頂錨索受力監測曲線

圖7 1#測站幫錨索受力監測曲線

對1#測站巷道表面位移的監測得出：1#測站巷道頂板的最大下沉量為14 mm，頂板變形量占據巷道高度的比例很小；左幫最大變形量為32 mm，兩幫最大移近量為64 mm，兩幫變形整體也很小。從頂錨索受力圖可以看出，1#測站頂錨索受力較穩定，從現場看頂板整體平整，說明頂板受力較穩定，支護效果較好。從幫錨索受力圖可以看出，幫錨索整體受力較穩定，從現場看兩幫煤壁沒有較大擠出和出現網兜等情況，支護效果較好。通過錨索受力情況發現，8103回風巷兩幫受力主要集中在中部錨索上。

4 結論

（1）8103工作面回風巷設計采用高預應力強力錨桿錨索組合支護系統，可有效解決6 m小煤柱在沿空掘巷時礦壓顯現所帶來的巷道變形問題。

（2）在工作面掘進期間，采用原支護方案的巷道變形顯著，變形主要體現在：頂板下沉、兩幫外移，而且位移量較大，最大位移達0.4 m，頂下沉達0.5 m。采用優化后的設計方案，頂板下沉量和煤幫位移量較小，巷道頂板完整，兩幫整齊，說明巷道掘進期間圍巖變形得到有效的控制。