大斷面4302 回風順槽支護優化技術研究

郭建平

（長治市礦山救護大隊，山西 長治 046000）

煤礦回采巷道的斷面面積不斷增大[1-2]，給巷道支護技術提出了較高的要求[3-5]。三元煤業4302 回風順槽大斷面巷道變形大，受采動影響嚴重，難以維護，因此對其順槽支護方案進行了全面的優化設計，并將其應用到工程實踐中，取得了較好的應用效果，對于提升巷道支護技術水平具有重要的實踐意義。

1 工程概況

4302 回風順槽設計長度1348 m，該巷從四采區皮帶巷（西翼）900 m 處開口，以270°29′19″方位角向前掘進，先沿5°下山掘進，逐漸破頂，掘進到四采區回風巷上方時保證與四采區回風巷之間留有最少500 mm 厚的煤；掘進至46 m 后與4302 回風順槽回風道貫通，以6°37′坡度下山掘進，掘進到四采區膠輪車巷上方時保證與四采區膠輪車之間留有最少500 mm 厚的煤；掘進至99 m 與4302 回風順槽聯絡巷貫通后，以5°～7°下山找見煤層底板，最后沿3#煤層底板掘進到達指定位置。煤層偽頂為0.1 m 砂質泥巖，直接頂為8.0 m細粒砂巖，基本頂為3.0 m 中粒砂巖，底板為1.0 m砂質泥巖、2.8 m 細砂巖。掘進巷道為矩形，采用錨網梁錨索支護，斷面寬5.2 m，高3.5 m，凈斷面高3.2 m，毛斷面面積18.2 m2。

2 原支護方案

2.1 原支護方案

巷道原支護方案如圖1。

2.2 存在問題

存在的主要問題：采動影響巷道頂板錨索支護密度雖相比其他不受采動影響的回采巷道支護密度有所加強，但考慮到巷道所受采動影響后發生破壞，二次補強，效果會大大減小；頂板錨桿和單體錨索打在同一排，僅用W 鋼帶進行連接，且W 鋼帶間距為900 mm，W 鋼帶間的金屬網并不能有效承載破碎煤體，容易產生網兜、金屬網撕裂等現象；矩形巷道肩角位置受剪應力集中明顯，且考慮到受相鄰工作面采動影響作用，應沿巷道掘進方向在角錨索位置布置鋼梁，角錨索位置距肩角部位距離為150 mm，距離過大。

圖1 原支護方案正視圖

3 支護優化原則及方案

3.1 錨桿（索）支護設計優化原則

針對受相鄰工作面采動影響的4302 回風順槽，為了充分發揮錨桿錨索聯合支護作用，使支護效果達到最佳，采用以下幾個支護設計原則：

（1）一次支護原則

應盡量設計出一次支護就能達到有效控制圍巖變形的效果，避免后期巷道圍巖變形破壞嚴重，而被動使用二次支護甚至多次支護的安全問題。

（2）高預應力及預應力擴散原則

在錨桿（索）支護中，預應力是其中的一項關鍵因素，直接決定了錨固在巷道圍巖中的錨固體是否是真正的主動支護，是否能發揮錨桿（索）的支護作用。

（3）“三高一低”支護原則

“三高一低”是指：高剛度、高強度、高可靠性及低支護密度。通過提高施加給錨桿（索）高預應力來提高錨桿（索）的剛度，通過連接構件及確保施工質量合格等方式來提高支護系統的可靠性，在整體支護強度達到要求，具有高可靠性的前提下，適當降低支護密度。

（4）安全與經濟相協調原則

所有的支護設計及施工都是以保障安全為前提的，在保障巷道圍巖穩定性及安全生產條件下，考慮適當降低施工成本，進而提高煤炭生產效益。

3.2 支護設計優化要點

針對原支護設計存在的問題，提出改良對策如下：

（1）加大初次支護密度，尤其是錨索支護密度，應將W 鋼帶中部單體錨索替換為錨桿，增加錨索數量并單獨成排；

（2）將單獨成排的錨索用工字鋼連接起來，使錨索形成一個整體結構，配合連接錨桿的W 鋼帶增加了巷道頂板的整體護表面積；

（3）角錨索的布置位置應位于巷道肩角位置，同時在錨索上沿掘進方向增加工字鋼梁，使其更好地維護巷道煤體易破碎的肩角位置。

從調研情況發現，組合錨索在大同礦區特厚煤層巷道頂板維護中發揮著較好的效果，能對頂板提供較高的預應力，在受采動影響作用巷道中也能承載較高的載荷。

3.3 支護優化方案

巷道優化支護方案采用錨桿—錨索聯合支護，配合菱形金屬網、W 鋼帶、工字鋼等配套構件。巷道采用“錨索+角錨索+鋼帶+菱形網+鋼梁+鋼筋梯+組合錨索”的支護形式。錨索為Ф21.8 mm的19 股預應力鋼絞線，錨桿為Ф22 mm 的左旋無縱筋螺紋鋼錨桿，支護參數如圖2 所示。巷道頂幫噴射混凝土，噴厚100 mm，噴射砼強度等級為C20，鋪底厚度為200 mm，砼強度為C30。

4 礦壓觀測

根據現場4 個測站的實測數據，將數據整理在Excel 表中，并用Origin 軟件進行分析，由于4 個測站的數據變化趨勢大致相同，且巷道圍巖位移量無明顯差別，故此處選取2 號測站數據，得到4302回風順槽在掘進期間頂底板移近量及兩幫移近量如圖3、圖4。

圖3 掘進期間巷道位移監測曲線

圖4 相鄰工作面回采期間巷道位移監測曲線

在4302 回風順槽掘進期間，巷道整體移近量均較小，巷道圍巖穩定性較好。4302 回風順槽頂板移近量及兩幫移近量在成巷后前18 d 內增長速度較大，在成巷后18～30 d 增長速度有所下降但移近量仍然持續，直到30 d 左右移近量達到最大并開始趨于穩定狀態，巷道圍巖應力進入新的應力平衡狀態。

從巷道表面位移曲線來看，優化支護方案能有效控制4302 回風平巷在受采動影響條件下的圍巖變形；從離層測站測得數據來看，由于測得的頂板離層量在6～9 mm 之間，巷道頂板的穩定性良好；錨桿（索）預緊力和螺母擰緊程度抽驗合格率在97%以上，支護質量能夠達到要求。

5 結論

以4302 回風順槽大斷面巷道的支護為研究對象，綜合運用現場調研、理論分析、現場實測等研究方法，重點對采動影響巷道圍巖穩定性、控制技術及控制實踐三個方面進行了系統研究，針對原支護方案存在問題提出對應的改良對策，并設計出相對合理的優化支護方案。研究成果為山西三元煤業后期同煤系特厚煤層巷道錨桿（索）支護設計提供科學依據，具有重要的理論與實踐意義和良好的推廣應用前景。