3206 孤島工作面巷道支護設計應用

蔣春林

（山西天地王坡煤業有限公司，山西 晉城 048021）

1 工程概況

王坡煤礦位于山西省晉城市澤州縣下村鎮，主采3#煤層，所采煤層平均埋深約為500～700 m。煤層厚度平均為5.80 m，煤層穩定，全區可采，煤層傾角為2° ～10°，平均為6°。3#煤層基本頂為中砂巖，平均厚度為8.89 m，單軸抗壓強度平均為74.1 MPa；直接頂為砂質泥巖，平均厚度為4.00 m，單軸抗壓強度平均為41.6 MPa；偽頂為炭質泥巖，平均厚度為0.30 m，單軸抗壓強度平均為11.0 MPa；直接底為泥巖或細粉砂巖，平均厚度為2.10 m，單軸抗壓強度平均為36.7 MPa；基本底為中砂巖，平均厚度為3.20 m，單軸抗壓強度平均為74.1 MPa。

3#煤層采用盤區式布置，間隔跳躍開采，因此部分工作面為孤島工作面，工作面回采過程中，礦壓顯現強烈，極易引起巷道圍巖失穩，對巷道支護提出了更高的要求[1-4]。本文以3206 孤島工作面回采巷道為工程背景進行分析。

2 巷道支護設計

2.1 地質力學測試

3206 工作面為孤島工作面，前期對3206 工作面附近同一盤區的3210 工作面區域進行了地應力測試。3210 回風順槽800 m 處，最大水平主應力值為7.75 MPa，最小水平主應力值為4.23 MPa，垂直應力值為15.19 MPa，最大水平主應力方向為N42.3°W；3210 回風順槽1350 m 處最大水平主應力值為6.94 MPa，最小水平主應力值為3.82 MPa，垂直應力值為13.86 MPa，最大水平主應力方向為N24.2°W。最大水平主應力方向主要為NNW-NW方向，方向一致性好。地應力的類型為σv＞σH＞σh。相關研究表明，垂直應力對巷道兩幫的影響作用大于對頂底板的影響。

根據對圍巖變形破壞機理的分析，得出3206工作面順槽巷道的支護控制原則如下：

（1）加強兩幫支護，兩幫要一次性支護到位，對強烈動壓巷道兩幫全部進行錨索加強支護。

（2）動壓巷道采用沿頂掘進，嚴格控制巷道斷面尺寸，嚴禁超挖。頂板采用錨索加強支護。

（3）大幅提高支護系統強度和剛度，特別是支護剛度，采用高預應力、大護表面積實現預應力的有效擴散，提高錨桿和錨索的預緊力轉化效率。

（4）若局部頂板巖層易風化破碎，采用頂板圍巖噴漿，避免風化破碎。

（5）由于王坡煤礦頂板巖性的問題，巷道頂板在掘出2 年后會發生劣化，要進行定期巡查、維護，根據變形情況及時進行挑頂、起底、補強、注漿、架棚等維護措施。

2.2 回采巷道支護設計

3206 回采巷道斷面尺寸5000 mm×3800 mm，頂板選用Ф22 mm×2400 mm 的強力錨桿，間排距為900 mm×1000 mm，頂板共布置6 根錨桿，垂直頂板布置。頂板錨索選用Ф22 mm×6300 mm 的高強度礦用鋼絞線錨索，沿巷道軸線4-4 布置，每排4 根，距兩幫各700 mm，間排距為1200 mm×1000 mm，全都垂直頂板巖層打設。巷幫選用Ф22 mm×2400 mm 的強力錨桿，間排距為900 mm×1000 mm，每幫布置4 根錨桿，垂直巷幫布置。巷幫錨索選用Ф22 mm×4300 mm 的高強度低松弛鋼絞線錨索，沿巷道幫部打設錨索，3-3 布置，間排距為1200 mm×1000 mm，距頂500 mm，全都垂直巷幫打設。為保證錨桿（索）的整體支護效果，采用金屬網護表，網片為網格50 mm×50 mm 的10#鉛絲編織，規格3300 mm×1200 mm，采用雙股16#鐵絲孔孔相連捆扎一道，扭結不少于3 圈，聯網間距200 mm；巷道頂板每隔100 m 安裝一片同規格的塑料網替換原金屬網。巷道支護示意圖如圖1。

圖1 巷道支護方案示意圖（mm）

3 工業性試驗

所需施工機具如表1 所示，采用MQT120/130型單體風動錨桿機鉆裝錨桿。配套鉆桿為B19 型中空釬桿，鉆頭為30 mm 雙翼鉆頭。用幫錨桿機鉆裝煤幫錨桿，用氣動鑿巖機鉆打巖幫錨桿。

表1 施工機具

在3206 回風巷每隔50 m 布置一個綜合測站，共布置3 個測站，每個綜合測站均對現場巷道圍巖變形量、頂板離層量及錨桿（索）荷載進行現場監測。其中巷道圍巖變形量采用十字布點法監測，頂板離層量借助頂板離層儀測量，深基點設置在頂板巖層6300 mm 位置，淺基點設置在2400 mm 位置。錨桿（索）荷載監測點布置如圖2。

圖2 錨桿（索）監測點布置（mm）

現場監測曲線如圖3 所示。

如圖3（a）所示，在巷道掘進過程中，巷道圍巖變形量逐漸增大。在巷道掘進初期，巷道圍巖變形量增長幅度較快，兩幫變形量增長幅度為6 mm/d，頂底板移近量增長幅度為4 mm/d；當測點距離掘進工作面100 m 范圍以后，巷道圍巖逐漸趨于穩定，最終巷道頂底板移近量為180 mm，兩幫移近量為227 mm，巷道圍巖整體變形量不大。如圖3（b）所示，巷道頂板離層量變化趨勢與圍巖變形趨勢相似，同樣是巷道掘進前期增長幅度較快，在距離掘進工作面100 m 以后，離層量基本不再發生變化，最終淺部離層量為25 mm，深部離層量為16 mm。與頂板下沉量相比，離層量幾乎可以忽略不計，表明支護效果良好，頂板無失穩風險。如圖3（c）及3（d）所示，在距離掘進工作面50 m 范圍內時，錨桿（索）受力增長幅度較大，之后隨著距離工作面越來越遠，錨桿（索）受力逐漸趨于穩定。巷道實體煤側錨桿阻力初始值平均為48 kN，最終值平均為65 kN；煤柱側錨桿阻力初始值平均為55 kN，最終值平均為70 kN；頂板錨桿初始值平均為51 kN，最終值平均為60 kN。巷道實體煤幫錨索受力最終值平均為115 kN，煤柱側錨索受力最終值為134 kN，頂板錨索受力最終值平均為125 kN。整體來看，巷道圍巖變形量不大，頂板巖層無失穩風險，錨桿（索）受力穩定，支護效果良好。

圖3 現場監測曲線

4 結論

針對孤島工作面礦壓顯現劇烈，對回采巷道支護要求更高的問題，以3206 工作面為工程背景，采用理論分析及工程類比的方法，提出采用錨桿（索）+鋼筋網的支護方案。在3206 回風巷設置礦壓監測點，對巷道圍巖變形量、頂底板移近量及錨桿（索）受力進行現場監測。巷道整體變形量不大，頂板巖層無失穩風險，錨桿（索）受力穩定，支護效果良好，可以滿足現場的安全生產需求。