綜采工作面回風巷支護方案研究與應用

秦 澤

（山西蘭花集團莒山煤礦有限公司，山西 晉城 048027）

回風巷道是綜采工作面通風及輔助運輸的重要通道，對工作面安全開采具有重要意義[1-3]。由于回風巷道服務于某一個或相鄰兩個工作面，受工作面采動影響較大，特別是在工作面附近區域巷道圍巖應力分布復雜，在持續采動影響下容易發生破壞變形而影響工作面安全生產。本文以莒山礦f3201綜采工作面回風順槽為工程背景，研究了巷道具體支護方案，并進行了現場實踐。

1 工作面概況

f3201工作面為2采區首采工作面，工作面所采的3號煤層位于山西組下部，煤層厚5.5～8.15m，平均厚6.18m，煤層結構簡單，含0～2層矸石。該煤層穩定可采，煤層頂板以泥巖、砂質泥巖、粉砂巖、細粒砂巖為主，局部發育薄層泥巖偽頂；底板巖性為泥巖、砂質泥巖。工作面設計長度150m，推進長度1200m，采用綜放工藝回采，其中采2.2m，放4.0m，端頭不放煤。

f309回風順槽沿底板掘進，設計為矩形斷面，尺寸為3000mm×3000mm，考慮支護厚度，回風順槽掘進斷面設計尺寸為3200mm×3100mm。

2 巷道支護方案研究

工作面回采巷道布置之前，對3號煤層物理力學性質進行了實驗室測量，通過現場取樣、試件加工和多次測量，得出煤體物理力學參數見表1所示。經過對3號煤煤樣物理力學性質測試，結果表明3號煤強度較低并且節理裂隙較發育。經過以往采區回采巷道現場勘查發現，巷道施工現場存在局部冒頂現象，個別破碎的較大塊煤懸于頂板，存在一定的安全隱患，給現場施工和巷道支護造成一定的困難。因此需要對巷道進行合理支護，保障工作面安全生產。巷道支護示意圖如圖1所示。

f3201工作面回風順槽沿3號煤層底板掘進，屬于全煤巷道，采用FLAC3D有限差分數值模擬的系統分析法[4-6]，綜合考慮地質條件、巷道埋深、巷道斷面、圍巖體力學性質、巷道服務年限、煤柱尺寸、錨固體力學性能等因素，確定巷道支護方案。

表1 試樣抗拉壓測試結果

2.1 錨網噴初次支護

錨桿采用高性能螺紋鋼錨桿，規格為Φ20mm×2000mm，頂錨桿和幫錨桿間排距均為800mm×800mm，錨桿孔直徑為Φ28mm。采用1卷K2335、1卷Z2360型樹脂藥卷加長錨固，錨固長度不少于1.0m。頂錨桿最低錨固力120kN，幫錨桿最低錨固力80kN，預緊扭矩不小于200N·m。托盤采用拱型高強度托盤，規格為120mm×120mm×8mm。鋼筋托梁采用Φ14mm的螺紋鋼焊接而成。鋼筋網采用10#鐵絲編織，網格為100mm×100mm，金屬網搭接長度100mm，搭接處用雙股14#鐵絲雙股雙排扣綁扎連接，搭接處必須利用鋼筋托梁和錨桿壓緊。噴射混凝土強度等級C20，配比為1:2:2，摻3%～5%速凝劑，初噴厚度50mm左右，要覆蓋住錨桿托盤。

2.2 錨索加強支護

錨索直徑為Φ15.24mm，錨索長度為8300mm，錨索采用2-0-1-0方式布置，間排距為1600mm×1600mm；孔徑為Φ32mm，采用1卷CK2335、2卷Z2360型樹脂藥卷加長錨固；其極限承載力為260kN，延展率為3.5 %；采用高強度可調心托盤，規格為300mm×300mm×20mm，并采用專用錨具與設備進行張拉、固定和切割。頂板錨索施工完成后，進行復噴混凝土。復噴混凝土厚度50mm，使噴層總厚度達到100mm，并要覆蓋住錨索托盤。

2.3 底板處理

由于煤層厚度的變化，若底板巖性較差時，建議對底板進行硬化處理，以維持煤幫的穩定及安全。鋪底厚度為100mm，混凝土強度不低于C15。若巷道底板底臌嚴重時，可采用錨桿與錨索聯合支護或自鉆式內注漿錨桿進行加固。

圖1 巷道支護示意圖

3 應用效果

為驗證巷道支護效果，f3201工作面回采之前在距切眼300m位置布置測站，監測巷道圍巖變形及錨桿錨固力，同時在回風順槽超前支護區域超前支架立柱上布置立柱應力監測儀，監測巷道超前應力分布規律。

3.1 超前壓力分析

圖2為巷道超前支護阻力與距工作面距離變化關系曲線。由圖可知，巷道超前影響范圍為工作面前方約18m。在工作面前方0～4m范圍內超前壓力較小，約為2MPa，工作面前方4～6m范圍內應力小幅度增大，工作面超前最大應力約為15MPa，位于工作面前方約7.7m處。隨著超前工作面距離的增大壓力逐漸降低，在工作面前方約16.7m處壓力逐漸保持穩定，壓力大小與原巖應力大致相同。

進一步分析可知，回風順槽超前壓力影響范圍較小，高應力區為工作面前方約7～11m處，該范圍對巷道圍巖穩定性影響較大，其余超前區域對巷道穩定型影響較小。

圖2 巷道超前壓力曲線

3.2 巷道圍巖變形分析

圖3為巷道圍巖頂底板及兩幫變形量及變形速度曲線。由圖可知，隨著工作面的臨近，巷道頂底板移近量、移近速度、兩幫移近量、移近速度呈逐漸增大趨勢。在工作面前方30～40m范圍內巷道兩幫移近量及移近速度基本保持不變，頂底板移近量及移近速度小幅度增大；在工作面前方10～30m范圍內巷道頂底板及兩幫移近量和移近速度呈小幅度增大趨勢；在工作面前方0～10m范圍內巷道圍巖變形量和變形速度大幅度增大：工作面附近頂底板移近量約為25mm，移近速度約為6mm/d，兩幫移近量約為22mm，移近速度約為2.9mm/d。由此可知工作面回采期間巷道變形量及變形速度相對較小，在采動影響下巷道圍巖可以基本保持穩定狀態。

圖3 巷道圍巖變形量及變形速度曲線

3.3 錨桿受力分析

圖4為采動期間巷道錨桿受力隨工作面推進距離變化關系曲線。由圖可知隨著工作面的推進，巷道錨桿所受應力呈逐漸增大趨勢：在工作面前方13m范圍以外巷道錨桿應力在2kN以內，所受應力較小；在工作面前方0～13m范圍內受采動影響較大，錨桿應力逐漸增大；在工作面附近應力達到最大值，約為18kN。錨桿最大應力仍小于錨桿設計的最小錨固力，表明錨桿支護參數合理，

錨桿支護系統可有效控制巷道圍巖變形，滿足安全生產要求。

圖4 巷道錨桿應力曲線

4 結語

結合莒山礦f3201工作面回風順槽實際煤層賦存條件及開采技術條件，考慮煤巖體實際物理力學參數，基于數值模擬分析方法，綜合考慮各影響因素給出了回風順槽支護方案，并對該支護方案下巷道超前壓力、巷道圍巖變形及錨桿受力情況進行了現場監測。實踐表明巷道支護方案合理有效，可滿足工作面回風及輔助運輸要求。