三元煤業四采區回風巷圍巖破壞特征及支護參數優化

王衛宏

（山西三元煤業股份有限公司，山西 長治 046000）

科學合理的支護方案是確保回采巷道圍巖穩定和提高掘巷效率的先決條件，錨桿、錨索的長度和間排距是決定支護方案是否合理的關鍵因素[1-4]。郝曉飛基于對新景礦8128 進風巷圍巖地應力測試和鉆孔窺視結果的分析，對巷道原支護方案進行參數優化[5]。劉江華通過對青洼煤業21031 進風巷掘進期間巷道破壞特征及表面位移的現場觀測，對原支護方案進行優化，取得了良好的圍巖控制效果[6]。石海波和陳文軍等基于對回采巷道原支護方案和圍巖變形特征，提出了“高強度、低密度”優化支護方案，提高了掘巷效率，降低了掘巷成本[7-8]。本文針對三元煤業四采區回風巷掘巷期間巷道變形較大，支護密度高，局部出現網兜、掉頂和片幫現象，分析了巷道原支護方案存在的問題，基于巷道圍巖松動圈測試結果，提出了“高強度、低密度”的優化支護方案，并進行了現場驗證。

1 工程概況

三元煤業位于山西省長治市境內，目前主要開采3#煤層，煤層平均埋深376.5 m，煤層厚度為6.36～7.50 m，平均厚度7.20 m，煤層傾角1°～10°，平均傾角5.5°。煤層結構簡單，賦存穩定，厚度變化較小，為全區穩定可采煤層。煤層偽頂為0.1 m 厚的砂質泥巖，直接頂為8.65 m 厚的細粒砂巖，基本頂為4.09 m 厚的中粒砂巖，直接底為1.0 m 厚的砂質泥巖，基本底為2.98 m 厚的細粒砂巖。四采區回風巷位于3#煤層四采區南翼，東北側為四采區皮帶巷，西南側為四采區膠輪車巷，如圖1。巷道沿3#煤層底板掘進，設計全長1412 m，矩形斷面，斷面尺寸為5300 mm×3150 mm（寬×高）。

圖1 巷道布置平面圖

2 巷道原支護方案及圍巖破壞特征

2.1 巷道原支護方案

四采區回風巷原支護方案為錨網索聯合支護，支護斷面如圖2，具體支護參數為：

圖2 巷道原支護斷面圖（mm）

（1）頂板支護。頂板錨桿采用左旋無縱筋螺紋鋼錨桿，規格為Φ20 mm×2200 mm，間排距800 mm×1000 mm，每排布置7 根，中間5 根錨桿垂直于巷道頂板布置，兩肩窩錨桿在距巷幫250 mm處與巷幫呈75°角布置。每根錨桿配合使用1 支MSZ2360 樹脂錨固劑。錨桿預緊力為170 N·m，錨固力100 kN。錨桿托盤采用150 mm×150 mm×10 mm 拱型高強度托板。頂板采用10#鐵絲編制礦用金屬經緯網，網孔特征尺寸50 mm×50 mm，寬1150 mm，長5600 mm。錨索采用Φ18.9 mm×6300 mm 的1×7 股高強度低松弛預應力鋼絞線，間排距2400 mm×1000 mm，每排布置3 根，所有錨索均沿巷道中心線及兩側垂直于巷道頂板布置。每根錨索配合使用一支MSK2335 和兩支MSZ2360 樹脂錨固劑。錨索預緊力250 kN，錨固力150 kN。錨索托板采用300 mm×300 mm×14 mm 高強度可調心托板及配套鎖具，托板材質為Q235 鋼。

（2）巷幫支護。巷道兩幫錨桿均采用Φ20 mm×2000 mm 左旋無縱筋螺紋鋼錨桿，間排距為700 mm×1000 mm，每排布置5 根錨桿，中間3 根錨桿垂直于巷幫布置，上下兩端錨桿分別與水平線呈20°角布置。每根錨桿配合使用1 支MSZ2360樹脂錨固劑。錨桿托盤采用尺寸為150 mm×150 mm×10 mm 的拱型高強度托板。巷幫采用10#鐵絲編制礦用金屬經緯網，網孔特征尺寸50 mm×50 mm，寬1150 mm，長2500 mm。

2.2 原支護方案存在的問題

原支護方案下巷道掘進400 m 范圍內無明顯礦壓顯現現象，隨著掘進工作面的推進，巷道內礦壓顯現逐漸強烈，巷道出現頂板網兜、局部掉頂和片幫現象，巷道內煤炮聲頻繁。距巷口450 m 處巷道表面變形測站監測結果顯示，巷道頂底板和兩幫相對移近量分別為264.58 mm 和302.36 mm，巷道圍巖表面變形量較大。此外，原支護方案下每排需布置7 根頂板錨桿、3 根錨索和10 根幫錨桿，巷道支護密度大，工人勞動強度高，掘進速度慢。

2.3 巷道圍巖松動圈測試

為掌握巷道圍巖破壞范圍，對原支護方案下巷道圍巖控制程度進行判定，同時為巷道支護優化設計提供參數依據。在四采區回風巷內距巷口100 m、200 m 和300 m 處各布置1 個測站，每個測站分別在頂板左右兩側及兩幫上下部各布置1 個測孔，分別編號為1#和2#測孔，其中頂板測孔深8 m，兩幫測孔深3 m。具體圍巖松動圈觀測結果見表1。

表1 四采區回風巷圍巖松動圈窺視結果

由表1 可以看出，四采區回風巷內3 個測站所觀測到的頂板圍巖松動圈平均深度約為2.23 m，兩幫圍巖松動圈平均深度約為2.12 m，已超過原支護中巷道頂板和兩幫錨桿長度，表明原支護中頂板和兩幫所采用的規格為Φ20 mm×2200 mm 和Φ20 mm×2000 mm 左旋無縱筋螺紋鋼錨桿難以有效控制巷道圍巖變形，故須對巷道原支護方案進行參數優化，以確保巷道圍巖控制效果。

3 巷道支護方案優化及圍巖控制效果

3.1 巷道支護方案優化設計

基于四采區回風巷實際生產地質條件和原支護設計參數，提出采用“高強度、低密度”支護方案。優化后的支護斷面圖如圖3，具體支護參數如下：

圖3 巷道優化支護斷面圖（mm）

（1）頂板支護。頂板錨桿由原來的Φ20 mm×2200 mm 左旋無縱筋螺紋鋼錨桿改為Φ22 mm×2600 mm，間排距為1200 mm×1000 mm，每排由7 根錨桿減少至5 根，中間3 根錨桿垂直于巷道頂板布置，兩肩窩錨桿打設位置和角度與原支護方案相同。每根錨桿使用MSZ2360 和MSK2335樹脂錨固劑各1 支。錨桿預緊力由170 N·m 增大為300 N·m，錨固力由100 kN 增大為127 kN。錨索由原來的Φ18.9 mm×6300 mm 的1×7 股高強度低松弛預應力鋼絞線改為Φ18.9 mm×8300 mm 的1×7股高強度低松弛預應力鋼絞線，間排距和打設位置及角度不變。每根錨索使用MSK2335 和MSZ2360樹脂錨固劑各2 支。錨索預緊力由250 kN 增大為320 kN，錨固力由150 kN 增大為175 kN。

（2）兩幫支護。巷道幫錨桿由原來的Φ20 mm×2000 mm 左旋無縱筋螺紋鋼錨桿改為Φ22 mm×2400 mm，間排距為950 mm×1000 mm，每排布置4 根錨桿，中間2 根錨桿垂直于巷幫布置，上下兩端錨桿分別在距頂板/底板150 mm 處與水平線呈20°角布置。每根錨桿配合使用MSZ2360和MSK2335 樹脂錨固劑各1 支。

3.2 巷道圍巖控制效果分析

為了驗證優化支護方案對巷道圍巖變形的控制效果，在四采區回風巷后期掘進期間，距掘進迎頭50 m 和100 m 處各布置1 個巷道表面變形測站，分別編號為1#和2#測站，采用十字測點法對采用優化支護后的巷道表面變形進行了60 d 的現場實測，監測結果如圖4。

圖4 巷道圍巖表面變形量

由圖4 可知，1#測站所觀測到的巷道頂底板和兩幫相對移近量均稍大于2#測站，這是因為相較于2#測站，1#測站距掘進迎頭更近，此時巷道掘進產生的擾動對圍巖影響較為強烈。1#和2#測站所觀測到的巷道圍巖表面變形量在0～30 d 內均隨觀測時間快速增長，在30 d 以后逐漸趨于穩定的變化規律。由此可見，巷道掘進擾動打破了圍巖初始應力平衡狀態，在0～30 d 范圍內，新的應力平衡狀態尚未形成，圍巖內部應力釋放，變形量較大；而在30 d 以后，新的應力平衡狀態逐漸形成，圍巖內部應力釋放逐漸減弱，巷道表面變形量逐漸趨于穩定。此外，巷道頂底板和兩幫相對移近量最大值分別為87.32 mm和114.92 mm，巷道圍巖表面變形量在允許范圍內，且在巷道后期掘進期間，無網兜、掉頂和片幫現象發生，表明優化后的支護方案對四采區回風巷圍巖變形控制效果較好。

此外，巷道后期掘進施工數據表明，采用優化后的支護方案相較于原支護方案，巷道掘進進尺從7 m/d 提高到了9 m/d，掘巷速度提高了28%，支護材料成本每米巷道節約140 元，相較于原有支護材料成本降低了14%，再加上每米巷道支護時節省的人工成本和提升的28%掘進效率，綜合掘進每米巷道成本相較于優化設計前平均降低了20%。

4 結語

（1）基于巷道表面變形觀測和圍巖松動圈測試結果，指出了四采區回風巷原支護方案支護密度大，掘巷速度低，且錨桿長度不足以有效控制巷道圍巖變形。

（2）提出了“高強度、低密度”優化支護方案，減少了每排錨桿數量，增大了錨桿、錨索長度，提高了錨桿、錨索預緊力和錨固力。

（3）巷道頂底板和兩幫相對移近量最大值分別為87.32 mm 和114.92 mm，圍巖變形控制效果較好，掘巷速度提高28%，每米巷道成本降低20%。