马兰矿回采巷道强帮护顶支护技术应用

王泽东

（山西焦煤西山煤电股份有限公司马兰矿，山西 古交 030205）

1 工程概况

马兰矿10503工作面位于南五采区，工作面开采02#煤层，煤层均厚2.4 m，平均倾角2°，工作面顶、底板岩层特征如图1所示。10503专用回风巷设计沿煤层底板掘进，巷道断面为矩形，净宽×净高=4 m×2.5 m，巷道设计长度为1 425 m。根据矿井地质资料可知，02#煤岩层整体松散破碎，煤层强度低。当巷道采用普通的锚网索支护方案时，工作面回采期间围岩变形量大，为确保10503工作面专用回风巷围岩的稳定，拟针对巷道采用强帮护顶的支护技术，并围绕围岩控制技术方案对强帮护顶技术进行初步探讨。

图1 工作面区域顶底板岩层柱状图

2 强帮护顶技术

当巷道处于顶板强度高、两帮强度低的条件下，此时巷道开挖后会首先在两帮出现应力极限平衡区，巷道两帮在采动影响下会出现较大的变形，进而导致巷道整体变形量较大。根据两帮围岩强度低，顶板强度相对较高的特征，拟提出采用强帮护顶的支护技术，即通过强化帮部的支护强度来提升巷道围岩整体的支护，基于强帮护顶形成合理耗能[1-3]。

1）强帮护顶良性作用：当巷道两帮为松软煤体，顶板为岩层时，若仅在顶板采用补强锚索支护，由于两帮软弱，顶板相对承载能力大，应力会通过顶板岩层传递至两帮围岩上，致使两帮围岩变形量大，进而影响顶板岩层的稳定。针对两帮为松软煤体，顶板为岩层的巷道，若在帮部采取一定的补强支护，便能够大幅提升帮部的自身承载力，且能在一定程度上保障顶板岩层的稳定性，进而形成顶板和帮部相互协调的应力支撑作用机制。巷道帮部支护的力学模型如图2（a）所示。帮部提高支护强度后，能够在一定程度上提升对顶板的竖向承载力。巷道开挖后帮部薄弱体符合莫尔－库伦屈服准则，表达式如下：

式中：σ3为煤岩体受到的最小主应力；σ1f为与σ3对应的竖向抗压强度；φ为帮部极限平衡区的内摩擦角；σc为帮部极限平衡区的单轴抗压强度。

根据式（1）能够绘制得出强帮前后的莫尔圆分布如图2（b）所示。

图2 帮部力学模型及强帮前后莫尔圆分布

分析图2能够看出，圆1和圆2分别为极限平衡时和帮部支护强度提高后的莫尔圆。当帮部支护力增大后，此时帮部薄弱体的最小主应力σ3也随之增大，围岩体的竖向抗压强度σ1f也逐渐增大，且σ1f的增大幅度大于σ3，据此可知，提升帮部支护强度可大幅提升围岩的承载力。另外从图中能够看出，帮部支护强度增大后，帮部薄弱体由极限平衡状态逐渐向安全状态过渡[4-5]。综合上述分析可知强帮支护能够有效控制帮部变形，为顶板提供了更大的支撑力。

2）强帮合理耗能作用：煤巷开挖后，煤巷变形积聚了围岩弹性塑性能量，这种能量会通过一定的形式释放，进而使得巷道围岩应力重新达到新的平衡状态，能量变化的过程可用如下表达式表示：

式中：QT为围岩受扰动后变化的总能量；Qs为支护构件分担的能量；QR为煤巷围岩自身承载的能量；QD为通过煤巷围岩变形释放的部分能量。

从式（2）中能够看出，QD在保障煤巷稳定性方面具有较大的意义，巷道顶底板及两帮产生的变形消耗释放该部分能量。

针对煤巷支护，应保障煤巷结构形成一个合理的耗能机构，通过强化帮部结构的刚度和强度，进而实现更多的能量通过顶板岩层吸收和消耗，达到控制帮部变形量的目的，以保障煤巷结构体的整体稳定。

3 支护方案

根据10503工作面的地质条件，设计巷道采用强帮护顶支护技术[6-7]，即巷道两帮软弱煤体的支护强度，进而提升围岩的整体稳定性，具体支护方案如图3所示。

图3 专用回风巷支护方式

1）顶板支护。锚杆采用左旋无纵肋螺纹钢锚杆，规格为φ20 mm×2 000 mm。锚固方式为加长锚固，每根锚杆采用2卷K2550型树脂锚固剂。锚杆间排距为900 mm×1 000 mm，两帮角锚杆与顶板成15°布置，其余顶板两根锚杆垂直顶板布置，锚杆预紧扭矩为300 N·m。锚索采用1×7股钢绞线，钢绞线为低松弛高强度特性，锚索参数为φ17.8 mm×5 300 mm，锚索布置排距为3 000 mm。锚索布置在顶板中部，布置锚索时替换同位置处的螺纹钢锚杆。锚索采用加长锚固，每根锚索采用2卷中速和1卷快速进行锚固 （2支Z2550+1支K2550），设计预紧力为150 kN。顶板锚杆（索）间采用W型钢带进行连接，巷道表面采用菱形网+钢带进行护表。

2）两帮支护。巷道两帮锚杆规格、锚固方式均同顶板锚杆，帮部间排距为1 000 mm×1 000 mm，两帮角锚杆与巷帮成15°布置；其余锚杆垂直帮部布置，帮部锚杆预紧扭矩为200 N·m，锚杆间采用W型钢带连接，采用W型钢带和菱形网护帮。

3）帮部注浆加固。为强化煤体帮部的承载能力，针对煤帮进行注浆加固，本次注浆材料采用水泥浆+外加剂，浆液水灰比为0.5，通过浆液在煤体内扩散实现对煤体内裂隙的充填与凝结，以此整体提升帮部煤体承载能力。注浆锚杆规格为φ25 mm×2 500 mm，注浆锚杆布置帮角锚杆下方400 mm处，锚杆同样与帮部成15°布置。注浆作业时采用中低压注浆，严控注浆压力，设置终孔注浆压力为2～3 MPa。

4 效果分析

10503工作面专用回风巷采用强帮护顶支护方案后，在巷道掘进期间每间隔50 m布置一个围岩变形观测站，通过十字布点法对巷道掘进期间围岩变形进行测量分析。监测断面每间隔5 d进行一次观测作业，根据观测结果能够绘制出顶底板及两帮变形曲线图。现取1#和2#测站进行围岩变形情况的分析，具体掘进期间围岩变形曲线如图4所示。

图4 巷道掘进期间围岩变形曲线

分析图4可知，巷道掘进期间，两帮移近主要出现在滞后掘进头0～50 m的范围内，当监测断面滞后掘进头大于50 m后，此时两帮变形速率大幅下降，当监测断面滞后迎头70 m后，此时两帮变形基本达到稳定状态。顶底板移近主要出现在滞后掘进头20～50 m范围内，顶底板移近量整体较小，这是由于巷道顶板岩层较为完整，且顶底板变形在滞后掘进头50 m后，顶底板变形即不再增大。根据1#和2#断面围岩变形可知，观测期间内顶底板及两帮变形量的最大值分别为21 mm和85 mm，围岩整体变形量小，巷道掘进期间围岩在采用强帮护顶支护技术后处于稳定状态。

5 结语

针对10503工作面专用回风巷原支护顶强帮弱的特点，拟对强帮护顶支护技术应用于此回风巷进行了全面探讨。理论分析重点从强帮护顶良性作用和强帮合理耗能两个方面进行，结合巷道特征具体对强帮护顶方案进行设计，设计巷道采用锚网索+帮部注浆的加强支护方案。根据巷道掘进期间的围岩变形观测可知，巷道围岩在采用强帮护顶支护技术方案后，围岩处于稳定状态。