东曲矿近距离煤层工作面顺槽支护设计及应用

苏 鑫

(西山煤电(集团)公司 东曲矿，山西 古交 030203)

西山煤电(集团)公司东曲矿14414工作面皮带顺槽上部为12414和12416工作面采空区，两煤层相距18 m左右，属于近距离煤层采空区下巷道掘进。在近距煤层群开采过程中，如果巷道的布置位置不合理，巷道的支护难度将会非常大。本文结合14414工作面的具体现状对顺槽支护进行分析设计，取得了良好的支护效果。

1 概况

1.1 14414工作面位置及采掘概况

14414工作面位于东曲矿973水平四采区，地面标高为1268～1346m，工作面标高为986～1006 m。14414工作面长596 m，上部有12414、12416工作面采空区。14414皮带巷同14412轨道巷间的煤柱宽度约为20 m，工作面平面布置图见图1。

图1 工作面平面布置图

1.2 工作面围岩性质

东曲矿4#煤层厚 1.3～2.1 m，平均厚度约 1.7 m，其中，夹矸厚 0.6～1.4 m。直接顶为泥岩，厚度1.15 m，黑色，质纯，含植物化石;老顶为中粒砂岩，厚度为10.38 m，灰白色，泥质胶结，层理不明显;直接底为砂质泥岩厚度为 1.1～4.85 m，平均厚度为3.01 m。

1.3 地质构造

14414工作面属于单斜构造，皮带巷在掘进过程中无明显的地质构造出现，地质构造条件简单。

2 四采区近距煤层开采及巷道支护现状

2.1 四采区近距煤层开采现状

东曲矿4#煤层分为4#煤上、4#煤、4#煤下3层。4#煤四采区上部的2#煤层12416和12414面已于2008—2010年期间完成回采，工作面上覆岩层活动基本停止，围岩处于稳定状态，下部4#煤层巷道掘进不受其影响。14414皮带巷同14412轨道巷间的煤柱宽度约为20 m。目前，14412工作面的两条顺槽已经掘进完毕，现进行14414皮带巷的掘进，14412工作面采用全部垮落法处理采空区顶板，由于14412工作面的回采动压，加之14414皮带巷的顶板为泥岩，直接底为砂质泥岩，强度低，遇水易软化，稳定性差，增加了巷道的支护难度。

2.2 巷道支护现状分析

东曲矿四采区14414皮带巷沿4#上煤顶板进行施工，长度为 596 m，巷道尺寸:4.5 m ×3.5 m，皮带顺槽支护方式见图2。

图2 皮带顺槽原支护图

14414皮带顺槽采用“锚杆+圆钢钢带+锚索+金属网”联合支护方式，顶板采用d20 mm×2400 mm左旋螺纹钢锚杆，间排距:850 mm×1000 mm，配压制碟形铁托盘，规格为100 mm×100 mm×10 mm;帮锚杆采用d20 mm×1800 mm左旋螺纹钢锚杆，配W型铁托盘:200 mm×200 mm，间排距:1000 mm×1000 mm;采用钢筋托梁护顶，采用14#圆钢焊接而成，长度为4400 mm;锚杆的预紧力矩≥150 N·m;锚杆采用1支MSCK2360和1支MSK2380树脂锚固剂锚固。

锚索采用d17.8 mm×4500 mm矿用钢绞线，间排距:2550 mm×2000 mm;菱形金属网规格:1200 mm×5700 mm;锚索托盘采用平托盘，规格为:200 mm×200 mm×16 mm;锚索的预紧力≥100 kN，锚索采用1支MSCK2360和2支MSK2380树脂锚固剂锚固。

通过对支护方案分析，结合井下实际情况，发现其支护形式与参数存在的问题如下:

1)锚杆(索)的预紧力过小，并且缺少必要的锚杆支护构件，例如减摩垫片和调心球垫。调心球垫和减摩垫片可以提高锚杆的预紧力转化效率。对支护的影响主要表现为:a)锚杆(索)的预紧力过低，难以发挥锚杆(索)主动支护效能，不能控制围岩初期的扩容、离层和变形，围岩离层后再进行支护已无效。b)目前，锚杆的预紧力矩仅为150 N·m，在实验室条件较好的状况下，此扭矩转化为锚杆的轴向力约为30 kN。

2)巷道两帮的支护强度不够。通过对14413工作面顺槽及联络巷的变形状况调查分析发现，在工作面回采后，甚至在掘进期间，巷道的两帮鼓帮严重，出现了片帮现象，巷道底鼓量大，在变形较大处巷道顶底板仅剩余1.7 m左右，一方面是由于围岩的岩性和采动影响所致;另一方面是由于支护参数不合理造成的。为了控制巷道大变形，必须坚持整体性的支护原则。

3)顶帮角锚杆布置方式不合理，影响支护效果。从锚杆杆体受力特征分析，锚杆抗拉能力远大于其抗弯、抗剪和抗扭能力，锚杆沿铅垂方向安装受力效果最好，如果偏离竖直方位，锚杆安装过程就可能受到弯曲、剪切以及扭转作用，可能造成锚杆杆体受到破坏，特别是锚杆尾部螺纹段，如果锚杆杆体偏离垂直中心，极有可能受到剪扭弯的综合作用而发生破断。现场实践以及实验室试验研究表明，对于近水平煤层巷道，锚杆垂直巷道表面安装效果最好，即使有夹角，最大角度以不超过10°为易。

4)支护材料不匹配。所用的钢筋托梁两根筋之间的宽度基本在60 mm左右，锚杆托盘为100 mm，钢筋托梁同顶板的接触相当于线接触，为了更好地发挥钢筋托梁的作用，应该将托梁加宽到80 mm，不但节约材料，效果也更加明显。

2.3 4414皮带巷新支护设计

针对上述存在的问题，结合现场实际，对支护方案进行了改进:巷道采用树脂全长锚固锚杆锚索组合支护系统。皮带顺槽新支护图见图3。

1)顶板支护。

锚杆形式和规格:杆体为20#左旋无纵筋螺纹钢，牌号400，长度2.0 m，杆尾螺纹为M22，螺纹长度不小于100 mm。

锚固方式:树脂全长锚固，采用2支低黏度锚固剂，一支规格为CK2360，另一支规格为K2380。钻孔直径为28 mm，理论锚固长度1900 mm。

钢筋托梁规格:采用Q235圆钢焊接而成，直径14 mm，宽度 80 mm，长度 4200 mm，孔间距1000 mm。

锚杆配件:采用高强锚杆螺母M22×3，配合高强托板调心球垫和尼龙垫圈，托盘采用拱型高强度托盘，规格为130 mm×130 mm×10 mm，承载能力不低于180 kN。

锚杆角度:全部垂直顶板打设。

图3 皮带顺槽新支护图

网片规格:采用菱形网护顶，网孔规格50 mm×50 mm，网片规格4700 mm×1100 mm。

锚杆布置:锚杆排距1000 mm，每排5根锚杆，间距1000 mm。

锚杆预紧力矩:≥300 N·m。

锚索形式和规格:锚索材料为 d17.8 mm，1×7股高强度低松弛预应力钢绞线，长度5300 mm，钻孔直径28 mm。采用1支CK2360和2支K2380低黏度树脂药卷锚固，理论锚固长度2500 mm。

锚索托盘:采用300 mm×300 mm×16 mm高强度可调心托板及配套锁具。

锚索布置:每2000 mm打2根锚索，锚索间距2000 mm，垂直顶板岩层。锚索预紧力:200 kN。

2)两帮支护。

锚杆形式和规格:杆体为20#左旋无纵筋螺纹钢，长度2.0 m，杆尾螺纹为M22，螺纹长度不小于100 mm。

锚固方式:树脂加长锚固，采用1支低黏度锚固剂，规格为K2380，钻孔直径为28 mm，理论锚固长度1100 mm。

W护板规格:采用W钢护板护帮，钢带厚度3 mm，宽280 mm，长度300 mm。

锚杆配件:采用高强锚杆螺母M22×3，配合高强托板调心球垫和尼龙垫圈，托盘采用拱型高强度托盘，规格为130 mm×130 mm×10 mm，承载能力不低于180 kN。

网片规格:采用菱形金属网护帮，网孔规格50 mm×50 mm，网片规格2600 mm×1100 mm。

锚杆布置:锚杆排距1000 mm，每帮每排3根锚杆，最上面一根距顶板300 mm，为了避免将锚杆打在夹矸上，设定锚杆间距依次为900 mm和1200 mm。

锚杆角度:垂直巷帮打设。

锚杆预紧力矩:≥300 N·m。

3 结论

3.1 支护成本对比

原支护方案所用材料直接成本为1617.04元/m，采用新方案所用材料直接成本为1544.41元/m，新支护方案的每米成本要比原支护方案节约72.63元。

3.2 支护效果对比

新支护方案重点加强了巷道两帮的支护，对于避免巷道两帮鼓出和底板鼓起能起到重要的作用，减少了巷道后期的维修量。

4 结语

目前，东曲矿4#煤层四采区只剩14414一个工作面，而在即将开采的五采区4#煤上部同样为2#煤采空区，且该类型巷道所占比例很高，普通的支护方式很难满足支护要求。因此，该支护设计为同类巷道的支护提供了重要的应用和参考价值。