4202 工作面回采巷道支護優化方案研究

梁 飛

（太原煤炭氣化（集團）有限責任公司，山西 太原 030006）

1 工程概況

龍泉煤礦4202 工作面所采煤層為4#煤，位于太原組頂部，埋深在600m 左右，煤厚5.75～7.03m，平均厚度6.47m。煤層形態較穩定，結構較復雜，含夾矸1～2層。煤層頂板巖層主要由砂質泥巖及砂巖組成，局部為中細粒砂巖，巖性較硬，屬中—難冒落。煤層底板以砂質泥巖為主，層理較發育，穩定程度屬穩定。巷道原支護設計采用的是錨網索支護。

2 回采巷道變形特征及機理分析

回采巷道在開掘的初期就出現了較為明顯的冒頂、底鼓及幫部收斂問題，原設計支護方案不能保證巷道穩定。針對這一情況，構建了4202 工作面回采巷道地質力學模型，并結合現場勘探，對回采巷道變形特征及機理進行了深入分析。

2.1 地質條件分析

通過采取電鏡掃描試驗的方式顯示回采巷道煤層表面可以看到片狀伊蒙混層，其中包含微孔隙，底板可看到片狀伊蒙混層和板狀高嶺石。通過x 射線衍射分析，回采巷道直接底板中含有的黏土礦物較高，具體為伊蒙混層礦物與蒙脫石。黏土礦物含量占到總礦物含量的90%以上。在所有粘土礦物當中，伊蒙混層含量占到95%以上[1]，這表明在煤層直接底膨脹性較強，遇水容易出現膨脹泥化現象，這也是導致巷道底板出現較大變形的主要原因之一。

2.2 頂板下沉量較大

通過現場勘查，回采巷道的頂板離層下沉嚴重，出現了明顯的支護結構彎曲斷裂。圖1 為巷道在原有支護條件下，頂板變形破壞情況。可看出頂板中部下沉情況嚴重，垂直位移平均數值已經接近300mm，變形最大的位置已經接近400mm。分析導致這種變形出現的主要原因就是原支護的強度及剛度不夠，形成了大量的“網兜”，從整個巷道位移矢量來分析，位移情況主要以垂直方向的位移為主，在巷道肩部出現了一定量的水平位移，導致巷道的幫部出現了鼓起，位移的影響深度超過了2m[2]。

圖1 巷道垂向位移場（單位：m）

從數值模擬情況來看，回采巷道頂板變形過程為：巷道開挖后圍巖整體的應力狀態出現了變化，塑性松動圈的范圍在不斷擴大，頂板塊體開始出現滑移，兩幫位置的煤體在水平和垂直方向開始出現了較大范圍的移動，最終導致頂板變形量急劇增加[3]。

從整個巷道開挖情況來看，在開挖初期，兩幫、頂板的矢量方向、變形速度等有著較大的差異，垂直位移是整個頂板的主要變形，隨著位置逐步上移，位移速度逐漸降低。對于兩幫的煤層，相互收斂是其主要變形特點，在一定程度上也導致巷道底鼓嚴重，同時對于頂板破斷離層也有著明顯的拉動作用。

根據上述分析可知，對于回采巷道所處的地質情況，應當對兩幫的收斂和頂板的下沉進行重點的控制[4]。

2.3 巷道底鼓變形突出

由于在掘進過程中沒有采取及時有效的措施實現對底板的控制，再加上底板中所含的膨脹性軟巖成分較高，導致巷道底板出現了嚴重的底鼓，給巷道的穩定性帶來了較大的影響。圖2 為巷道底板垂直位移圖。

圖2 巷道底板垂直位移圖（單位：m）

從圖2 可看出，巷道底板出現了較大范圍的變形，因為底板泥巖中包含的膨脹性軟巖成分較高，垂直位移平均超過了200mm，底板中部為巷道底鼓最為集中的區域，最大位移超過了400mm，嚴重影響到回采巷道的正常使用。

2.4 沿結構面冒頂問題明顯

在掘進回采巷道的過程中，因為未能及時有效實現對頂板的控制，導致巷道整體出現了沿著結構面方向的冒頂，巷道頂板沿著結構面方向的變形較為嚴重，在局部冒落后形成了較多的臺階。

3 巷道返修支護分析

3.1 巷道斷面優化分析

圖3（a）、圖3（b）分別為回采巷道選擇使用矩形巷道斷面和直墻弧形拱頂斷面巷道整體的位移情況。通過圖3 可知，選擇使用直墻弧形拱頂斷面的巷道整體的位移量要明顯小于矩形斷面，在沒有支護的情況下，直墻弧形拱頂斷面巷道最大位移量不到15cm。優化后底鼓量明顯減小，不到原巷道斷面的1/2，出現底鼓的范圍也明顯減小，所以將巷道斷面從矩形優化為直墻弧形拱頂斷面。為了減少底鼓量，本次返修支護時將底板1m 左右的泥巖全部挖掉，減少膨脹性軟巖成分對巷道穩定性的影響。

圖3 不同斷面巷道位移圖像

3.2 支護參數優化分析

（1）錨桿、錨索支護優化。考慮到原有支護整體強度較低、密度較小，在返修支護時用Ф22mm的錨桿代替原支護下Ф20mm 的錨桿，增加錨桿長度到2.4m。錨索直徑從15mm 增加到17.8mm，適當增加錨索支護密度。

（2）錨網支護參數優化。選擇使用Ф6mm 的鋼筋焊接網代替原鐵絲網，增加鋪網支護剛度。

（3）在原支護條件下底板未進行支護，處于敞開狀態，考慮到底板圍巖變形較大實際，本次優化選擇使用底板錨索對底板進行支護。在底板巷道對稱布置一根，間距設計為1000mm。

（4）對托盤進行優化。原支護僅使用木托盤，本次使用復合托盤，外部為鐵托盤，內部為木托盤。通過復合托盤更好協調錨桿錨索與圍巖的變形。支護示意圖如圖4 所示。

圖4 返修支護設計示意圖

4 返修支護效果

選擇使用上述返修方案對巷道進行了返修，在返修后選擇使用“十字交叉法”對巷道變形情況進行了監測，圍巖變形曲線如圖5 所示。通過圖5 可看出，巷道穩定性得到了較好的控制，滿足了回采巷道返修支護實際需求。

圖5 巷道返修后位移曲線