厚煤层进风顺槽巷道支护优化研究与应用

王玉中

（阳泉煤业（集团）有限责任公司一矿，山西 阳泉 045008）

1 阳煤一矿K8207工作面概况

K8207工作面地表位置为小西沟南，臭石岩沟以东，吴家掌村以西，小杨树咀以北的山梁沟谷地带，在雨季补给水量充沛。地表无建筑物，有部分农田及山林。工作面井下位置位于扩二区辅助回风巷以西，西大巷轨道巷以南，K8206工作面（已回采）以北。

K8207进风巷用作本工作面进风、运煤及下料，巷道设计长度912 m，预计服务年限为3年。巷道沿15号煤层底板掘进，留有顶煤，两帮主体为煤，不受采空区及其他影响，属简单类巷道。巷道最大坡度13°，最小坡度2°，平均6°。巷道地面标高1122~1224m，井下标高684~733 m，埋深为438~511 m。

煤层直接顶为黑色泥岩，厚度约1.17 m，岩芯破碎，岩层含炭质；基本顶为K2石灰岩，平均厚度约10.14 m，深灰色，致密坚硬，局部含动物化石；煤层底板为细粒砂岩，平均厚度约4.5 m，黑灰色，含石英、云母炭屑，硅质胶结。

该区域总体为一单斜构造，局部地段发育成为次一级的向、背斜构造。煤层倾角在2°~13°间。根据周边地质资料分析，预计在掘进过程中会遇到一些落差2 m左右的断层及挠曲构造，到时会对掘进有一定影响。

2 巷道原支护

巷道原来支护如图1所示。顶板采用全锚索进行支护，采用6根长短锚索交替布置，规格为Φ17.8-7200/5200，其中7.2 m锚索按照“二四”和“三五”进行轮流布置，锚索托板为240 mm×200 mm×85 mm铸钢锚索托板如图9，锚杆配合采用波纹钢带护顶，规格为4-220-5100-940-6。巷帮采用4根直径20 mm、长度2 000 mm的圆钢麻花锚杆，钢号为Q235。锚杆托板采用350 mm×120 mm×40 mm的花式托板，如图1所示。全断面挂网，顶部、两帮网片采用经纬网。锚索的间排距为950 mm×800 mm。顶锚索预紧力要求为170 kN（45 MPa），帮锚杆锚固力要求50 kN，锚杆预紧力矩120 N·m。

图1 巷道原支护示意图（单位：mm）

3 矿压及变化情况

由于巷道巷道掘进过程中受构造应力影响，局部围岩应力不稳定。对井下围岩变形进行观测统计，发现巷道顶板稳定性差，局部下沉量大。巷道的煤帮控制效果差，变形和位移量大，局部破碎严重，出现锚杆失效现象，部分区段巷道宽度不足4.0 m，两帮变形达约500 mm。

分析可知，巷道顶板采用全锚索支护，顶板强度和刚度相对较高，可主动及时支护围岩，控制顶板变形；相反，由于锚杆托板的支护限制，托板面积小，单体锚杆为花式托板，对金属网和帮的支护效果不均匀，支护效果差。现锚杆的破断力和预紧力小，加上锚杆仅有120 N·m的预紧扭矩，造成巷道了两帮整体支护强度低，支护无法满足巷道变形的支护破坏，局部变形大，难以控制。

进风巷两帮局部有变形破碎，出现托板后空现象，分析主要是因为巷帮锚杆预紧力较小，加之锚杆护表构件不合理，当煤体松软破碎时，容易出现片帮变形，造成巷道失稳破坏，所以可在保证其支护效果的前提下，进行了高预应力支护优化及推广，提高了巷道支护的科学性，实现顶帮支护的安全，确保施工经济成本优化，为巷道状况的改善创造了条件，实现矿井高产高效生产。

4 巷道支护初始设计

考虑到生产的要求和巷道围岩变形预留量，设计K8207进风巷断面尺寸如下，净断面宽5 000 mm，高2 900 mm，净断面面积14.5 m2，掘进断面宽5 200 mm，掘进断面高3 000 mm，掘进断面面积15.6 m2。根据地质条件、优化数值模拟及工程实践经验，确定巷道剩下350 m采用新支护方案进行试验。

4.1 顶板支护

顶板采用全锚索+金属网进行支护，锚索规格为Φ17.8×6 300 mm钢绞线，顶板一排布置6根，排距1.0 m，间距0.9 m。锚索布置方式要全部垂直顶板。采用300 mm×300 mm×16 mm高强度可调心托板及配套锁具，高度不低于60 mm，承载能力不低于350 kN。锚固由两支规格分别为MSCK2340和MSZ2380的锚固剂组合加工而成。钻头直径为28 mm，锚固长度为1 360 mm。锚索预紧力不小于230 kN。

网片规格：巷道采用菱形网和钢筋网配合护顶，钢筋网为直径6.5 mm钢筋焊接而成，网孔规格100 mm×100 mm，网片规格为2 700 mm×1 100 mm；金属菱形网材料为10号铁丝，网孔规格50 mm×50 mm，网片规格5 400 mm×1 100 mm，菱形网和钢筋网两种网片联接时均搭接100 mm，采用16号铅丝联接，双丝双扣梳辫法孔孔相连，并不得小于3扣。

4.2 巷帮支护

锚杆形式和规格：杆体为20号长度2.0 m左旋螺纹钢锚杆，采用高强锚杆螺母M22，配合高强托板调心球垫和尼龙垫圈，托板采用拱型高强度托板，高度不低于36 mm，托板尺寸不小于150 mm×150 mm×10 mm，承载能力不低于154 kN。

钢筋托梁：采用直径14 mm钢筋焊接而成，钢筋托梁宽度80 mm，长度2 400 mm。

网片规格：巷帮铺设单层菱形网，金属网材料为10号铁丝，网孔规格50 mm×50 mm，网片规格2 600 mm×1 100 mm，两网片之间搭接100 mm，采用16号铅丝联接，双丝双扣梳辫法孔孔相连，并不得小于3扣。

锚杆布置：每排3根锚杆，锚杆排距1 000 mm，间距1 100 mm。

巷道支护布置如图2所示。

图2 巷道支护布置图（单位：mm）

5 支护应用效果分析

巷道顶板最大下沉量87 mm，两帮最大移近量45 mm，占巷道尺寸比例很小，巷道的变形量主要集中在构造破碎段；锚杆初始预紧力50~90 kN，平均值80 kN；稍有增大后趋于稳定。顶锚索初始预紧力损失之后分别达到170 kN、190 kN、200 kN，受力最大值达到260 kN，之后趋于稳定。

原方案折合每排成本1 372元，折合每米成本1 614元；新方案折合每米成本1 432元，较原方案节省182元，约11%；新方案巷帮折合每米成本1 490元，较原方案降低124元，约8%；新方案巷帮折合每米成本1 600元，和原方案持平，但有效解决了巷帮支护偏弱问题，避免后期的返工维修，保证了巷道安全。