3206 孤岛工作面巷道支护设计应用

蒋春林

（山西天地王坡煤业有限公司，山西 晋城 048021）

1 工程概况

王坡煤矿位于山西省晋城市泽州县下村镇，主采3#煤层，所采煤层平均埋深约为500～700 m。煤层厚度平均为5.80 m，煤层稳定，全区可采，煤层倾角为2° ～10°，平均为6°。3#煤层基本顶为中砂岩，平均厚度为8.89 m，单轴抗压强度平均为74.1 MPa；直接顶为砂质泥岩，平均厚度为4.00 m，单轴抗压强度平均为41.6 MPa；伪顶为炭质泥岩，平均厚度为0.30 m，单轴抗压强度平均为11.0 MPa；直接底为泥岩或细粉砂岩，平均厚度为2.10 m，单轴抗压强度平均为36.7 MPa；基本底为中砂岩，平均厚度为3.20 m，单轴抗压强度平均为74.1 MPa。

3#煤层采用盘区式布置，间隔跳跃开采，因此部分工作面为孤岛工作面，工作面回采过程中，矿压显现强烈，极易引起巷道围岩失稳，对巷道支护提出了更高的要求[1-4]。本文以3206 孤岛工作面回采巷道为工程背景进行分析。

2 巷道支护设计

2.1 地质力学测试

3206 工作面为孤岛工作面，前期对3206 工作面附近同一盘区的3210 工作面区域进行了地应力测试。3210 回风顺槽800 m 处，最大水平主应力值为7.75 MPa，最小水平主应力值为4.23 MPa，垂直应力值为15.19 MPa，最大水平主应力方向为N42.3°W；3210 回风顺槽1350 m 处最大水平主应力值为6.94 MPa，最小水平主应力值为3.82 MPa，垂直应力值为13.86 MPa，最大水平主应力方向为N24.2°W。最大水平主应力方向主要为NNW-NW方向，方向一致性好。地应力的类型为σv＞σH＞σh。相关研究表明，垂直应力对巷道两帮的影响作用大于对顶底板的影响。

根据对围岩变形破坏机理的分析，得出3206工作面顺槽巷道的支护控制原则如下：

（1）加强两帮支护，两帮要一次性支护到位，对强烈动压巷道两帮全部进行锚索加强支护。

（2）动压巷道采用沿顶掘进，严格控制巷道断面尺寸，严禁超挖。顶板采用锚索加强支护。

（3）大幅提高支护系统强度和刚度，特别是支护刚度，采用高预应力、大护表面积实现预应力的有效扩散，提高锚杆和锚索的预紧力转化效率。

（4）若局部顶板岩层易风化破碎，采用顶板围岩喷浆，避免风化破碎。

（5）由于王坡煤矿顶板岩性的问题，巷道顶板在掘出2 年后会发生劣化，要进行定期巡查、维护，根据变形情况及时进行挑顶、起底、补强、注浆、架棚等维护措施。

2.2 回采巷道支护设计

3206 回采巷道断面尺寸5000 mm×3800 mm，顶板选用Ф22 mm×2400 mm 的强力锚杆，间排距为900 mm×1000 mm，顶板共布置6 根锚杆，垂直顶板布置。顶板锚索选用Ф22 mm×6300 mm 的高强度矿用钢绞线锚索，沿巷道轴线4-4 布置，每排4 根，距两帮各700 mm，间排距为1200 mm×1000 mm，全都垂直顶板岩层打设。巷帮选用Ф22 mm×2400 mm 的强力锚杆，间排距为900 mm×1000 mm，每帮布置4 根锚杆，垂直巷帮布置。巷帮锚索选用Ф22 mm×4300 mm 的高强度低松弛钢绞线锚索，沿巷道帮部打设锚索，3-3 布置，间排距为1200 mm×1000 mm，距顶500 mm，全都垂直巷帮打设。为保证锚杆（索）的整体支护效果，采用金属网护表，网片为网格50 mm×50 mm 的10#铅丝编织，规格3300 mm×1200 mm，采用双股16#铁丝孔孔相连捆扎一道，扭结不少于3 圈，联网间距200 mm；巷道顶板每隔100 m 安装一片同规格的塑料网替换原金属网。巷道支护示意图如图1。

图1 巷道支护方案示意图（mm）

3 工业性试验

所需施工机具如表1 所示，采用MQT120/130型单体风动锚杆机钻装锚杆。配套钻杆为B19 型中空钎杆，钻头为30 mm 双翼钻头。用帮锚杆机钻装煤帮锚杆，用气动凿岩机钻打岩帮锚杆。

表1 施工机具

在3206 回风巷每隔50 m 布置一个综合测站，共布置3 个测站，每个综合测站均对现场巷道围岩变形量、顶板离层量及锚杆（索）荷载进行现场监测。其中巷道围岩变形量采用十字布点法监测，顶板离层量借助顶板离层仪测量，深基点设置在顶板岩层6300 mm 位置，浅基点设置在2400 mm 位置。锚杆（索）荷载监测点布置如图2。

图2 锚杆（索）监测点布置（mm）

现场监测曲线如图3 所示。

如图3（a）所示，在巷道掘进过程中，巷道围岩变形量逐渐增大。在巷道掘进初期，巷道围岩变形量增长幅度较快，两帮变形量增长幅度为6 mm/d，顶底板移近量增长幅度为4 mm/d；当测点距离掘进工作面100 m 范围以后，巷道围岩逐渐趋于稳定，最终巷道顶底板移近量为180 mm，两帮移近量为227 mm，巷道围岩整体变形量不大。如图3（b）所示，巷道顶板离层量变化趋势与围岩变形趋势相似，同样是巷道掘进前期增长幅度较快，在距离掘进工作面100 m 以后，离层量基本不再发生变化，最终浅部离层量为25 mm，深部离层量为16 mm。与顶板下沉量相比，离层量几乎可以忽略不计，表明支护效果良好，顶板无失稳风险。如图3（c）及3（d）所示，在距离掘进工作面50 m 范围内时，锚杆（索）受力增长幅度较大，之后随着距离工作面越来越远，锚杆（索）受力逐渐趋于稳定。巷道实体煤侧锚杆阻力初始值平均为48 kN，最终值平均为65 kN；煤柱侧锚杆阻力初始值平均为55 kN，最终值平均为70 kN；顶板锚杆初始值平均为51 kN，最终值平均为60 kN。巷道实体煤帮锚索受力最终值平均为115 kN，煤柱侧锚索受力最终值为134 kN，顶板锚索受力最终值平均为125 kN。整体来看，巷道围岩变形量不大，顶板岩层无失稳风险，锚杆（索）受力稳定，支护效果良好。

图3 现场监测曲线

4 结论

针对孤岛工作面矿压显现剧烈，对回采巷道支护要求更高的问题，以3206 工作面为工程背景，采用理论分析及工程类比的方法，提出采用锚杆（索）+钢筋网的支护方案。在3206 回风巷设置矿压监测点，对巷道围岩变形量、顶底板移近量及锚杆（索）受力进行现场监测。巷道整体变形量不大，顶板岩层无失稳风险，锚杆（索）受力稳定，支护效果良好，可以满足现场的安全生产需求。