东周窑煤矿8106 工作面回采巷道围岩强度分析及支护技术研究

刘振华

（晋能控股煤业集团同发东周窑煤业有限公司，山西 大同 037100）

1 工程概况

东周窑煤矿8106 工作面位于石炭系太原组5 号层一盘区，工作面西北侧为8102 工作面采空区，回风巷与采空区间的煤柱宽度为6 m，工作面平面位置如图1 所示。8106 工作面开采C5 号煤层，煤层厚度5.86～7.93 m，平均厚度6.90 m，平均倾角5°，煤层顶板为砂岩，底板岩层为细砂岩。5106 回风巷主要为8106 工作面提供行人和回风服务，由于巷道掘进时会通过断层和淋水等特殊地段，现为保障5106 回风巷围岩的稳定，特进行围岩强度测试及支护方案的设计研究。

图1 8106 工作面巷道布置图

2 围岩强度分析与支护原则

2.1 围岩强度分析

为掌握工作面区域围岩强度，采用WQCZ-56型围岩强度测定装置进行围岩强度测试，围岩测试在5106 回风顺槽顶板和两帮上进行布置[1-3]，围岩强度测试原理如图2 所示。

图2 围岩强度测定原理示意图

根据围岩强度的测定结果，得出5106 回风顺槽顶板和两帮围岩强度测定曲线如图3 所示。

通过分析图3 和煤岩体窥视结果可知，巷道围岩顶板岩性强度变化较大，浅部1.2 m 处最高达到80 MPa，而最低处5.6 m 强度经纬12.57 MPa，从围岩窥视图可见该处存在煤线，总体来看，顶板强度变化起伏较大，岩层厚度和岩性变化较大，对巷道支护提出较高要求；从两帮围岩强度曲线可以看出浅部0～1.6 m 范围内巷帮煤体强度较小，平均13.6 MPa，随着深度的增加，帮部煤体强度随之增大，1.6～4.0 m范围内煤体强度达到20 MPa，说明巷帮强度和稳定性有所提高，但是巷道煤帮在6 m 深度强度大幅降低，从窥视图可以看出，该处巷帮存在空洞和内息，对于后期小煤柱巷帮的维护存在一定影响。

图3 5106 回风顺槽两帮煤体强度测试曲线

2.2 支护原则

根据8106 工作面的地质生产条件，结合5106回风顺槽围岩强度测试分析结果，设计巷道采用锚网索支护，支护原则如下：

1）一次支护：采用锚网索支护时，应尽可能的在一次支护时达到保障围岩稳定的目的，避免巷道由于动压影响变形导致其无法满足使用要求而进行二次或多次支护[4-5]；巷道在揭露时采用锚杆支护的效果最佳，当巷道围岩已经出现破坏或离层后此时进行而二次或多次支护时，支护效果会大幅降低。

2）高预应力和预应力扩散原则。锚杆主动支护的效果是通过预应力在围岩体内的扩散实现，通过对锚杆索施加高预应力，可提升锚杆支护的整体刚度和完整性[6-7]。

3）“三高一低”原则。即高强度、高刚度、高可靠性与低支护密度原则。

4）临界支护强度与刚度原则：巷道采用锚杆索支护时，若围岩的临时支护强度低于临界值时，此时巷道围岩处于不稳定状态，支护结构无法保障围岩的稳定，需保障支护强度和刚度大于临时值，方能保障围岩稳定[8]。

3 支护方案及效果

3.1 支护方案

根据8106 工作面的5106 回风巷主要为工作面提供回风、行人等服务，巷道沿煤层底板掘进，掘进断面为矩形，掘进宽度×高度= 5 000 mm×3 800 mm，根据上述支护原则，结合围岩强度分析结果，设计巷道顶板采用全锚索支护，为在顶板岩层不同深度形成主动支护，设计顶板采用长短锚索相结合的支护方式，两帮采用锚杆+短锚索的支护方式，具体支护方案如下：

1）顶板支护：顶板锚索采用1×7 股高强度低松弛钢绞线，长短锚索规格分别为21.8 mm×7 200 mm 和21.8 mm×5 200 mm 的锚索，顶板短锚索每排布置5 根，间排距1 100 mm×800 mm。长锚索布置在2 排短锚索之间，间排距2 200 mm×800 mm，锚索均垂直顶板布置，短锚索和长锚索间均通过W型钢带进行连接，W 型钢带为长度×宽度×厚度=4 700 mm×280 mm×4 mm，锚索采用树脂加长锚固，预紧力300 kN，巷道表面采用金属网进行护表。

2）巷帮支护：锚杆采用螺纹钢锚杆，规格为20 mm×2 400 mm，间排距1 000 mm×800 mm，采用树脂加长锚固，锚杆间采用规格为长度×宽度×厚度= 450 mm×280 mm×4 mm 的W 钢护板护帮，锚杆均垂直巷帮布置，锚杆预紧扭矩为450 N·m，帮锚索采用规格为17.8 mm×4 200 mm 的1 7 股高强度低松弛预应力钢绞线，长度4 200 mm，锚索采用“二一二一”布置帮锚索，排距900 mm，间距2 000 mm。锚索均垂直煤壁打设，帮锚索预紧力为200 kN。巷帮表面同样采用金属网进行护表。

具体5106 回风巷锚网索支护断面如图4 所示。

图4 5106 回风巷支护断面图

3.2 效果分析

5106 回风巷掘进期间，巷道内每间隔50 m 布置一组矿压监测站，监测内容包括围岩变形量、锚杆索受力情况，其中围岩变形量采用十字布点法进行量测，锚杆索受力情况采用锚杆索测力计进行监测，根据巷道掘进期间的观测数据能够得出围岩变形曲线和锚杆索受力曲线。

1）围岩变形情况分析：根据5106 回风巷掘进期间的围岩变形数据，绘制出围岩变形曲线见图5。

图5 围岩变形曲线图

分析图5 可知，5106 回风巷掘进期间，巷道顶板的最大下沉量为32 mm，左帮最大变形量为38 mm，右帮最大移近量为46 mm，巷道整体变形小。另外现场来看巷道顶板完整，两帮整齐，说明巷道掘进期间围岩变形量得到有效的控制。

2）锚索受力情况分析：巷道顶板监测4 根锚索，其中3 根短锚索，1 根长锚索，巷道左帮监测2 根锚索，右帮监测1 根锚索，具体锚索受力曲线见图6。

图6 巷道掘进期间锚索受力曲线图

分析图6 可知，顶锚索初始预紧力损失之后初始受力达到120～200 kN 之间，平均值为160 kN，掘进初期受掘进影响波动较大，之后锚索受力波动较小，最终顶锚索受力保持在123～180 kN 之间，平均值为151 kN。帮锚索由于煤壁较软以及预应力损失，帮锚索获得初始预紧力在20～97 kN 范围之间，平均值约58.5 kN，掘进初期帮锚索受掘进影响受力变化较大，之后帮锚索受力变化幅度趋为稳定，最终帮锚索工作阻力保持在20～143 kN 范围之间，平均值为81.5 kN。

3）帮锚杆受力情况分析：巷道左右两帮分别监测1 根锚杆的受力情况，具体锚杆受力曲线见图7。

图7 巷道掘进期间巷帮锚杆受力曲线图

分析图7 可知，帮锚杆获得初始预紧力在55 kN左右，通过数据得出帮锚杆受力随着工作面的推进呈现稳步下降趋势，最终锚杆受力在30 kN 左右。

综合上述分析可知，巷道掘进初期锚杆锚索受力变化大，受掘进影响明显，整体数据表明5106 巷锚杆和锚索的受力达到设计要求，锚杆和锚索预紧力大幅增加，实现了及时主动的支护效果。

4 结 论

根据8106 工作面的地质赋存特征，通过现场围岩强度测试得出工作面回采巷道围岩强度低，需要较高的支护要求，基于围岩强度测试结果，确定巷道的各项支护原则，结合5106 回风巷的具体参数，设计巷道顶板采用长短锚索支护，两帮采用锚杆+短锚索支护，根据巷道掘进期间的矿压监测数据可知，巷道在该支护方案下围岩处于稳定状态。