2S202-1 工作面回采巷道复合顶板支护技术研究

2022-01-15连晓强

山东煤炭科技 2021年12期

连晓强

（山西乡宁焦煤集团台头煤焦有限责任公司，山西乡宁 042100）

1 工程概况

台头矿2S202-1综采工作面位于运输大巷以南，北为采空区，西、南为保安煤柱，东侧为2S202 工作面。工作面走向长度为332 m，倾向长度为75 m，工作面埋藏深度为189 m。工作面开采2#煤层，煤层厚度为2.8～3.38 m，平均厚度为3.0 m，煤层结构简单，平均含有两层夹矸。煤层顶底板岩层特征见表1。2S201-1 工作面回风顺槽沿2#煤层底板掘进，掘进断面宽×高=4.6 m×3.2 m。由于巷道顶板岩层为复合软弱顶板，为保障巷道围岩的稳定，特进行围岩控制技术研究。

表1 煤层顶底板岩层特征表

2 复合顶板“拱-梁”支护与控制对策

2.1 “拱-梁”支护结构

针对复合层状顶板的巷道围岩，运用刚性梁理论中“拱-梁”承载结构模型进行支护设计时，采用组合梁力学模型进行锚杆支护较为合理；当巷道内采用锚杆（索）支护时，由于锚杆（索）在围岩体内预应力的扩散作用，从而有效增强了复合顶板的整体刚度和强度[1-2]，具体“拱-梁”结构模型如图1。

图1 “拱-梁”承载结构模型示意图

锚杆支护中采用的组合梁理论认为，通过对锚杆施加预应力的方式能够有效降低复合顶板各岩层间的相互错动作用，锚杆能够有效地将顶板各岩层组合成厚度更大的组合顶板，提升顶板的整体性，从而极大程度上减小顶板冒落拱的高度[3-4]。巷道顶板岩层在采用预应力锚杆索加固后，其内聚力的等效表达式为：

式中：c'为锚杆支护后岩体的内聚力，MPa；c0为无锚杆时岩体的内聚力，MPa；s为锚杆的屈服强度，MPa；n为锚杆数量；δs为试件重量，kg；d为锚杆直径，mm；φ为岩体内摩擦角，（°）；

进一步结合摩尔-库伦准则能够得出，顶板在采用锚杆支护后岩体的抗压强度为：

式中：δc'为顶板岩层采用锚杆加固后的抗压强度，MPa；其余参数的含义同上。

另一方面，顶板采用锚杆支护后顶板岩层的普式系数也会出现一定程度的变化，锚杆支护后顶板岩层的普式系数表达式为：

式中：f'为锚杆支护后顶板岩石的坚固性系数；其余参数的含义同上。

综合上述分析可知，巷道顶板采用锚杆支护后，顶板围岩的坚固性系数会明显增大，顶板岩层冒落拱的高度也会逐渐降低，顶板岩层的整体承载能力会得到提高。

巷道仅采用锚杆支护时，无法有效的控制围岩的变形，由于锚杆的长度有限，导致锚杆的支护作用只能在巷道顶板浅部围岩内形成组合梁结构，锚杆在岩层内仅仅起到支护主体的作用。当巷道顶板岩层采用锚索支护时，锚索能够作为有效的支护结构补偿材料，能够有效地在锚网支护中的薄弱环节形成加强支护，并能够在锚杆支护下浅部组合梁结构与深部岩层间有效连接，从而整体提升顶板岩层的承载能力，实现保障巷道围岩稳定的目的。

2.2 围岩控制对策

基于2S202-1 回风顺槽复合顶板巷道围岩的具体地质条件，结合“拱-梁”支护结构原理及锚索支护原理，考虑复合顶板岩层内存在较多的薄层，提出巷道围岩控制技术采用高强锚杆索支护。巷道支护时首先通过锚杆+锚网的方式对浅部围岩体的变形破坏进行限制[5-6]，随后通过锚索的悬吊作用将锚杆作用下形成的浅部承载结构悬吊至稳定的岩层内。由于回风顺槽顶板岩层软弱层较厚，处于锚杆的锚固区域，因此在该支护体系中锚索起到主要的承载作用，而锚杆支护起到次要的补偿支护作用。

3 支护技术

3.1 支护方案

（1）顶板支护。锚杆采用左旋无纵筋高强螺纹钢锚杆，规格参数为Φ22 mm×2400 mm，间排距为700 mm×800 mm，每排布置7 根锚杆，锚杆配套使用M 型托盘，托盘规格为长×宽×高=140 mm×140 mm×10 mm，两顶角处的锚杆与顶板成15°布置，其余锚杆均垂直于顶板布置，锚杆预紧扭矩为300 N·m。顶板锚索采用1×7 股高强度钢绞线，规格参数为Φ17.8 mm×6300 mm，锚索布置方式为“3-2-3”，间排距为1500 mm×800 mm，锚索托盘采用鼓形托盘，规格为长×宽×高=400 mm×400 mm×16 mm，锚索均垂直于巷道顶板布置，锚索预紧力为150 kN。顶板表面采用金属网和双抗网进行护表，双抗网布置于内部，金属网布置于外侧，网片间的搭接长度为100 mm，采用钢带进行顶板各锚杆（索）间的连接。

（2）两帮支护。帮部锚杆规格参数同顶板锚杆，帮部锚杆的间排距为700 mm×800 mm，巷道左帮和右帮每排均布置5 根锚杆，巷道肩窝和底角处的锚杆分别向上和向下15°布置，其余锚杆均垂直于巷帮布置，锚杆预紧扭矩为250 N·m，帮部表面同样采用金属网和双抗网进行护表，采用M 型钢带进行锚杆间的连接。

具体2S202-1 回风顺槽围岩支护布置形式如图2。

图2 2S202-1 回风顺槽支护布置方式示意图（mm）

3.2 效果分析

2S202-1 回风顺槽掘进期间，在巷道掘进迎头处布置巷道表面位移观测站，采用十字布点法进行顶底板变形量和两帮移近量的监测分析。回风顺槽掘进期间，每间隔30 m 设置一个巷道表面位移监测站，巷道表面位移每2 d 进行一次观测。现取1#测站和2#测站的观测数据进行分析，1#和2#测站围岩变形曲线如图3。

分析图3 可知，1#测站巷道表面位移主要在掘进的初期变化较为剧烈，围岩变形主要集中在巷道掘出后的0～10 d 内。在巷道掘出后的0～5 d 内围岩变形速率较大；在巷道掘出时间5～10 d 内，围岩变形速率开始降低，围岩变形趋于平缓；当巷道掘出10 d 后，围岩变形量基本达到稳定状态，围岩变形量不再增大，最终顶底板最大移近量为26 mm，两帮最大移近量为33 mm。2#测站围岩变形速率曲线基本与1#测站围岩变形曲线相同，同样在巷道掘出后10 d 后围岩达到稳定状态，顶底板移近量和两帮移近量的最大值分别为18 mm 和26 mm。据此可知，回风顺槽在现有高强锚杆索支护方案下，有效控制了围岩变形，保障了围岩的稳定。