综采工作面回风巷支护方案研究与应用

秦 泽

（山西兰花集团莒山煤矿有限公司，山西 晋城 048027）

回风巷道是综采工作面通风及辅助运输的重要通道，对工作面安全开采具有重要意义[1-3]。由于回风巷道服务于某一个或相邻两个工作面，受工作面采动影响较大，特别是在工作面附近区域巷道围岩应力分布复杂，在持续采动影响下容易发生破坏变形而影响工作面安全生产。本文以莒山矿f3201综采工作面回风顺槽为工程背景，研究了巷道具体支护方案，并进行了现场实践。

1 工作面概况

f3201工作面为2采区首采工作面，工作面所采的3号煤层位于山西组下部，煤层厚5.5～8.15m，平均厚6.18m，煤层结构简单，含0～2层矸石。该煤层稳定可采，煤层顶板以泥岩、砂质泥岩、粉砂岩、细粒砂岩为主，局部发育薄层泥岩伪顶；底板岩性为泥岩、砂质泥岩。工作面设计长度150m，推进长度1200m，采用综放工艺回采，其中采2.2m，放4.0m，端头不放煤。

f309回风顺槽沿底板掘进，设计为矩形断面，尺寸为3000mm×3000mm，考虑支护厚度，回风顺槽掘进断面设计尺寸为3200mm×3100mm。

2 巷道支护方案研究

工作面回采巷道布置之前，对3号煤层物理力学性质进行了实验室测量，通过现场取样、试件加工和多次测量，得出煤体物理力学参数见表1所示。经过对3号煤煤样物理力学性质测试，结果表明3号煤强度较低并且节理裂隙较发育。经过以往采区回采巷道现场勘查发现，巷道施工现场存在局部冒顶现象，个别破碎的较大块煤悬于顶板，存在一定的安全隐患，给现场施工和巷道支护造成一定的困难。因此需要对巷道进行合理支护，保障工作面安全生产。巷道支护示意图如图1所示。

f3201工作面回风顺槽沿3号煤层底板掘进，属于全煤巷道，采用FLAC3D有限差分数值模拟的系统分析法[4-6]，综合考虑地质条件、巷道埋深、巷道断面、围岩体力学性质、巷道服务年限、煤柱尺寸、锚固体力学性能等因素，确定巷道支护方案。

表1 试样抗拉压测试结果

2.1 锚网喷初次支护

锚杆采用高性能螺纹钢锚杆，规格为Φ20mm×2000mm，顶锚杆和帮锚杆间排距均为800mm×800mm，锚杆孔直径为Φ28mm。采用1卷K2335、1卷Z2360型树脂药卷加长锚固，锚固长度不少于1.0m。顶锚杆最低锚固力120kN，帮锚杆最低锚固力80kN，预紧扭矩不小于200N·m。托盘采用拱型高强度托盘，规格为120mm×120mm×8mm。钢筋托梁采用Φ14mm的螺纹钢焊接而成。钢筋网采用10#铁丝编织，网格为100mm×100mm，金属网搭接长度100mm，搭接处用双股14#铁丝双股双排扣绑扎连接，搭接处必须利用钢筋托梁和锚杆压紧。喷射混凝土强度等级C20，配比为1:2:2，掺3%～5%速凝剂，初喷厚度50mm左右，要覆盖住锚杆托盘。

2.2 锚索加强支护

锚索直径为Φ15.24mm，锚索长度为8300mm，锚索采用2-0-1-0方式布置，间排距为1600mm×1600mm；孔径为Φ32mm，采用1卷CK2335、2卷Z2360型树脂药卷加长锚固；其极限承载力为260kN，延展率为3.5 %；采用高强度可调心托盘，规格为300mm×300mm×20mm，并采用专用锚具与设备进行张拉、固定和切割。顶板锚索施工完成后，进行复喷混凝土。复喷混凝土厚度50mm，使喷层总厚度达到100mm，并要覆盖住锚索托盘。

2.3 底板处理

由于煤层厚度的变化，若底板岩性较差时，建议对底板进行硬化处理，以维持煤帮的稳定及安全。铺底厚度为100mm，混凝土强度不低于C15。若巷道底板底臌严重时，可采用锚杆与锚索联合支护或自钻式内注浆锚杆进行加固。

图1 巷道支护示意图

3 应用效果

为验证巷道支护效果，f3201工作面回采之前在距切眼300m位置布置测站，监测巷道围岩变形及锚杆锚固力，同时在回风顺槽超前支护区域超前支架立柱上布置立柱应力监测仪，监测巷道超前应力分布规律。

3.1 超前压力分析

图2为巷道超前支护阻力与距工作面距离变化关系曲线。由图可知，巷道超前影响范围为工作面前方约18m。在工作面前方0～4m范围内超前压力较小，约为2MPa，工作面前方4～6m范围内应力小幅度增大，工作面超前最大应力约为15MPa，位于工作面前方约7.7m处。随着超前工作面距离的增大压力逐渐降低，在工作面前方约16.7m处压力逐渐保持稳定，压力大小与原岩应力大致相同。

进一步分析可知，回风顺槽超前压力影响范围较小，高应力区为工作面前方约7～11m处，该范围对巷道围岩稳定性影响较大，其余超前区域对巷道稳定型影响较小。

图2 巷道超前压力曲线

3.2 巷道围岩变形分析

图3为巷道围岩顶底板及两帮变形量及变形速度曲线。由图可知，随着工作面的临近，巷道顶底板移近量、移近速度、两帮移近量、移近速度呈逐渐增大趋势。在工作面前方30～40m范围内巷道两帮移近量及移近速度基本保持不变，顶底板移近量及移近速度小幅度增大；在工作面前方10～30m范围内巷道顶底板及两帮移近量和移近速度呈小幅度增大趋势；在工作面前方0～10m范围内巷道围岩变形量和变形速度大幅度增大：工作面附近顶底板移近量约为25mm，移近速度约为6mm/d，两帮移近量约为22mm，移近速度约为2.9mm/d。由此可知工作面回采期间巷道变形量及变形速度相对较小，在采动影响下巷道围岩可以基本保持稳定状态。

图3 巷道围岩变形量及变形速度曲线

3.3 锚杆受力分析

图4为采动期间巷道锚杆受力随工作面推进距离变化关系曲线。由图可知随着工作面的推进，巷道锚杆所受应力呈逐渐增大趋势：在工作面前方13m范围以外巷道锚杆应力在2kN以内，所受应力较小；在工作面前方0～13m范围内受采动影响较大，锚杆应力逐渐增大；在工作面附近应力达到最大值，约为18kN。锚杆最大应力仍小于锚杆设计的最小锚固力，表明锚杆支护参数合理，

锚杆支护系统可有效控制巷道围岩变形，满足安全生产要求。

图4 巷道锚杆应力曲线

4 结语

结合莒山矿f3201工作面回风顺槽实际煤层赋存条件及开采技术条件，考虑煤岩体实际物理力学参数，基于数值模拟分析方法，综合考虑各影响因素给出了回风顺槽支护方案，并对该支护方案下巷道超前压力、巷道围岩变形及锚杆受力情况进行了现场监测。实践表明巷道支护方案合理有效，可满足工作面回风及辅助运输要求。