综放工作面回风巷锚网索联合支护技术优化

（阳泉煤业(集团)平定裕泰煤业有限公司，山西 阳泉 045200）

1 工程背景

平定裕泰煤业15104工作面位于+510 m水平，埋深平均550m，主采15#煤层，西部为矿井边界保护煤柱，东部为二水平采区大巷，北部为已开采15102工作面，南部为未开采15106工作面，见图1。煤层平均煤厚5.4m，平均倾角6°。采用综采放顶煤开采，采高平均2.4m，采放比1∶1.25。采用全部垮落法管理顶板。回采巷道全部沿煤层顶板布置，开切眼沿底板布置，机头、机尾串煤回采，其中回风巷道为矩形，断面尺寸为4.5 m×3.0m，断面面积13.5 m2。回风巷帮部及底板均是实体煤，直接顶由砂质页岩、泥岩等较软弱岩体组合而成，平均厚度为3.6～4.0m，节理、裂隙发育充分，基本顶为石灰岩，灰白色，成分为石英、长石，平均厚度为5.0～7.5m，质地较坚硬。

15104综放面回风巷两帮为实体煤、顶板为含夹层的软弱顶板，巷道掘进过程中受上部15102工作面放顶煤影响，动压显现强烈，加之巷道断面较大，出现严重煤壁脱落、顶板下沉的情况。巷道原支护形式：顶板全部为短锚索支护，型号为Φ18.9 mm×4200 mm，间排距1000 mm×900 mm，每排布置4根；帮部全部为锚杆支护，型号为Φ20 mm×2400 mm，间距排距800 mm×900 mm，上下锚杆距顶底板均为300 mm 见图2。原支护形式不能完全控制巷道稳定，增加了巷道维修工作量，对矿井高效安全生产带来了不利影响。

图1 15104工作面布置

图2 原支护方式

2 15104回风巷稳定性分析

2.1 巷道顶板受力环境严峻

15104工作面埋深平均达550m，地应力平均达13.8MPa，上部15102工作面与15104回风巷之间煤柱仅为15m，15102工作面开采扰动应力强烈，平均应力集中值在40MPa，而巷道煤层抗压强度仅为15MPa、顶板泥岩抗压强度仅为33MPa，围岩承载能力与实际应力环境不匹配，带来应力集中破坏现象。强烈的15102工作面采动影响和15102采空区侧向压力对15104回风巷道掘进的影响显著，造成巷道反复承载，围岩内部裂隙、孔隙扩展发育，围岩完整性丧失，逐步失去承载能力[1-2]。

2.2 原支护方式控制效果差

巷道顶板3.6～4.0m的砂质页岩与泥岩承载力学强度较低，对巷道顶板结构的稳定性产生影响较大。软弱结构岩体岩性含黏土成分较多，易膨胀崩解，容易风化，导致周围岩体进一步破碎损坏；从顶板结构组成和支护结构来看，原支护方式短锚索支护强度低、支护范围较分散，巷道顶板处在支护体支护范围之外，软弱部位与上方坚硬顶板不能形成稳定锚固体，受开采动压影响，导致顶板整体失稳[3-4]。

3 15104回风巷道联合支护技术优化

3.1 联合支护原则

根据上述分析可知，在巷道顶板存在软弱结构，同时支护方案不能满足控制要求时，研究采用联合支护的方式进行巷道掘进期间围岩控制[5]。首先，要实现对顶板软弱夹层的整体性控制，选择高强度高预应力短锚索将顶板所有层位围岩构筑成锚固体；再者，应该选择合适的支护材料，保证锚索高预应力、强破断力、强承载力的状态，能够使得锚索支护应力场有效覆盖巷道顶板，防止出现拉伸破断，形成稳定强力的支护承载体；最后，针对15104回风巷道两帮为煤体的实际情况，需要对帮部和顶板继续采取加强支护，扩大受力面积，改善围岩承载状态，控制巷道整体变形。

3.2 支护参数设计优化

优化后的回风巷道支护方案见图3，支护参数具体如下：

顶板支护：整体支护方式为短锚索、加长锚索、钢带网梁组合支护。顶板短锚索型号为Φ21.6 mm×5250 mm，材料为1×7 单根1860 级钢绞线，间排距720 mm×800 mm，一排6根，预紧力≥295 kN；加强锚索规格同短锚索，长度为7300 mm，一排1根。锚索均垂直巷道顶板打设，其中加强锚索在巷道中线位置，锚索锚固剂均为2卷MSCK23/100的树脂胶泥固化剂。托盘型号设计为300 mm×300 mm×16 mm，菱形金属网规格为5200 mm×850 mm，其中网孔设计为80 mm×80 mm，钢带为M型，7 孔布置，孔间距720 mm，规格为4500 mm×176 mm×6 mm，屈服强度＞235MPa，搭接长度为200 mm，托梁型号为29U型钢，长度1000m，承载能力230 kN。

帮部支护：帮部整体支护方式与顶板不同，帮部以锚杆支护为主、辅以加强锚索。锚杆采用的规格为Φ20 mm×3000 mm，材料为螺纹钢，间排距870 mm×800 mm，一排按照4根布置，预紧力每根≥50 kN，右帮加强锚索规格与顶板加强锚索相同，每排布置加强锚索2根，分别按照中线对称打设，间排距2300 mm×1600 mm，左帮加强锚索规格同右帮，间排距1600 mm×950 mm，托梁按照巷道方向布置，套棚距离5m、棚架上穿4根梁。锚杆使用的锚固剂为1卷MSCK23/60树脂胶泥固化剂，托盘设计采用350 mm×120 mm×40 mm，菱形网规格设计采用3100 mm×850 mm，其中网孔选取为80 mm×80 mm。

图3 改进支护方案

4 应用效果分析

采用优化的支护方式后，需要对巷道支护效果进行监测分析，监测方案设计为在掘进迎头后50m的新支护方案段内布置监测测站，对巷道继续掘进过程进行围岩变形监测，监测周期为45 d，统计巷道围岩变形监测值，绘制的表面位移监测曲线结果见图4。

图4 巷道表面位移监测曲线

由图4可知，随着巷道不断掘进，围岩表面破坏不断增加，具体表现在围岩变形量上是：回风巷道无论是顶板下沉、底板移近还是左右帮移近的变形量，均表现为阶梯状上升态势，其中巷道两帮移近变形值稳定在21～23 mm，顶底板变形移近量稳定在19～22 mm，顶板下沉幅度以及两帮变形幅度均较小，巷道整体失稳可能性不大。再结合巷道顶板布置的离层仪监测数据可知，顶板范围内离层量为3～5 mm，未出现大范围不连续顶板，顶板整体性保持较好。从位移变化和离层变化来看，巷道围岩变形情况良好，变形量均在可控范围内，结合锚索测力计显示结果，顶板短锚索承载在14MPa稳定波动，在巷道继续服务期间，未发生明显坍塌现象，说明15104回风巷道采取的联合支护方式是有效的。

5 结语

15104回风巷道顶板围岩结构软弱，原锚网与锚索联合支护支护参数不合理，受地应力和动压影响，容易产生变形破坏，丧失承载能力。在结合理论分析和矿井现有支护材料基础上，确定顶板采用短锚索+加强锚索支护，帮部采用锚杆+加强锚索支护的方式进行掘进期间巷道围岩控制。新支护方式应用后，顶板短锚索受力基本稳定在14MPa，未出现拉伸破断，巷道顶底板移近稳定在20 mm、两帮移近稳定在22 mm，围岩整体性好、可控性强，实现了放顶煤开采软弱顶板巷道控制要求。