大斷面4302 回風(fēng)順槽支護(hù)優(yōu)化技術(shù)研究

郭建平

（長治市礦山救護(hù)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(hù)技術(shù)提出了較高的要求[3-5]。三元煤業(yè)4302 回風(fēng)順槽大斷面巷道變形大，受采動影響嚴(yán)重，難以維護(hù)，因此對其順槽支護(hù)方案進(jìn)行了全面的優(yōu)化設(shè)計，并將其應(yīng)用到工程實(shí)踐中，取得了較好的應(yīng)用效果，對于提升巷道支護(hù)技術(shù)水平具有重要的實(shí)踐意義。

1 工程概況

4302 回風(fēng)順槽設(shè)計長度1348 m，該巷從四采區(qū)皮帶巷（西翼）900 m 處開口，以270°29′19″方位角向前掘進(jìn)，先沿5°下山掘進(jìn)，逐漸破頂，掘進(jìn)到四采區(qū)回風(fēng)巷上方時保證與四采區(qū)回風(fēng)巷之間留有最少500 mm 厚的煤；掘進(jìn)至46 m 后與4302 回風(fēng)順槽回風(fēng)道貫通，以6°37′坡度下山掘進(jìn)，掘進(jìn)到四采區(qū)膠輪車巷上方時保證與四采區(qū)膠輪車之間留有最少500 mm 厚的煤；掘進(jìn)至99 m 與4302 回風(fēng)順槽聯(lián)絡(luò)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(jìn)到達(dá)指定位置。煤層偽頂為0.1 m 砂質(zhì)泥巖，直接頂為8.0 m細(xì)粒砂巖，基本頂為3.0 m 中粒砂巖，底板為1.0 m砂質(zhì)泥巖、2.8 m 細(xì)砂巖。掘進(jìn)巷道為矩形，采用錨網(wǎng)梁錨索支護(hù)，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(hù)方案

2.1 原支護(hù)方案

巷道原支護(hù)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(hù)密度雖相比其他不受采動影響的回采巷道支護(hù)密度有所加強(qiáng)，但考慮到巷道所受采動影響后發(fā)生破壞，二次補(bǔ)強(qiáng)，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(jìn)行連接，且W 鋼帶間距為900 mm，W 鋼帶間的金屬網(wǎng)并不能有效承載破碎煤體，容易產(chǎn)生網(wǎng)兜、金屬網(wǎng)撕裂等現(xiàn)象；矩形巷道肩角位置受剪應(yīng)力集中明顯，且考慮到受相鄰工作面采動影響作用，應(yīng)沿巷道掘進(jìn)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(hù)方案正視圖

3 支護(hù)優(yōu)化原則及方案

3.1 錨桿（索）支護(hù)設(shè)計優(yōu)化原則

針對受相鄰工作面采動影響的4302 回風(fēng)順槽，為了充分發(fā)揮錨桿錨索聯(lián)合支護(hù)作用，使支護(hù)效果達(dá)到最佳，采用以下幾個支護(hù)設(shè)計原則：

（1）一次支護(hù)原則

應(yīng)盡量設(shè)計出一次支護(hù)就能達(dá)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(yán)重，而被動使用二次支護(hù)甚至多次支護(hù)的安全問題。

（2）高預(yù)應(yīng)力及預(yù)應(yīng)力擴(kuò)散原則

在錨桿（索）支護(hù)中，預(yù)應(yīng)力是其中的一項關(guān)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(hù)，是否能發(fā)揮錨桿（索）的支護(hù)作用。

（3）“三高一低”支護(hù)原則

“三高一低”是指：高剛度、高強(qiáng)度、高可靠性及低支護(hù)密度。通過提高施加給錨桿（索）高預(yù)應(yīng)力來提高錨桿（索）的剛度，通過連接構(gòu)件及確保施工質(zhì)量合格等方式來提高支護(hù)系統(tǒng)的可靠性，在整體支護(hù)強(qiáng)度達(dá)到要求，具有高可靠性的前提下，適當(dāng)降低支護(hù)密度。

（4）安全與經(jīng)濟(jì)相協(xié)調(diào)原則

所有的支護(hù)設(shè)計及施工都是以保障安全為前提的，在保障巷道圍巖穩(wěn)定性及安全生產(chǎn)條件下，考慮適當(dāng)降低施工成本，進(jìn)而提高煤炭生產(chǎn)效益。

3.2 支護(hù)設(shè)計優(yōu)化要點(diǎn)

針對原支護(hù)設(shè)計存在的問題，提出改良對策如下：

（1）加大初次支護(hù)密度，尤其是錨索支護(hù)密度，應(yīng)將W 鋼帶中部單體錨索替換為錨桿，增加錨索數(shù)量并單獨(dú)成排；

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

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

從調(diào)研情況發(fā)現(xiàn)，組合錨索在大同礦區(qū)特厚煤層巷道頂板維護(hù)中發(fā)揮著較好的效果，能對頂板提供較高的預(yù)應(yīng)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(hù)優(yōu)化方案

巷道優(yōu)化支護(hù)方案采用錨桿—錨索聯(lián)合支護(hù)，配合菱形金屬網(wǎng)、W 鋼帶、工字鋼等配套構(gòu)件。巷道采用“錨索+角錨索+鋼帶+菱形網(wǎng)+鋼梁+鋼筋梯+組合錨索”的支護(hù)形式。錨索為Ф21.8 mm的19 股預(yù)應(yīng)力鋼絞線，錨桿為Ф22 mm 的左旋無縱筋螺紋鋼錨桿，支護(hù)參數(shù)如圖2 所示。巷道頂幫噴射混凝土，噴厚100 mm，噴射砼強(qiáng)度等級為C20，鋪底厚度為200 mm，砼強(qiáng)度為C30。

4 礦壓觀測

根據(jù)現(xiàn)場4 個測站的實(shí)測數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)整理在Excel 表中，并用Origin 軟件進(jìn)行分析，由于4 個測站的數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)，得到4302回風(fēng)順槽在掘進(jìn)期間頂?shù)装逡平考皟蓭鸵平咳鐖D3、圖4。

圖3 掘進(jìn)期間巷道位移監(jiān)測曲線

圖4 相鄰工作面回采期間巷道位移監(jiān)測曲線

在4302 回風(fēng)順槽掘進(jìn)期間，巷道整體移近量均較小，巷道圍巖穩(wěn)定性較好。4302 回風(fēng)順槽頂板移近量及兩幫移近量在成巷后前18 d 內(nèi)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(xù)，直到30 d 左右移近量達(dá)到最大并開始趨于穩(wěn)定狀態(tài)，巷道圍巖應(yīng)力進(jìn)入新的應(yīng)力平衡狀態(tài)。

從巷道表面位移曲線來看，優(yōu)化支護(hù)方案能有效控制4302 回風(fēng)平巷在受采動影響條件下的圍巖變形；從離層測站測得數(shù)據(jù)來看，由于測得的頂板離層量在6～9 mm 之間，巷道頂板的穩(wěn)定性良好；錨桿（索）預(yù)緊力和螺母擰緊程度抽驗(yàn)合格率在97%以上，支護(hù)質(zhì)量能夠達(dá)到要求。

5 結(jié)論

以4302 回風(fēng)順槽大斷面巷道的支護(hù)為研究對象，綜合運(yùn)用現(xiàn)場調(diào)研、理論分析、現(xiàn)場實(shí)測等研究方法，重點(diǎn)對采動影響巷道圍巖穩(wěn)定性、控制技術(shù)及控制實(shí)踐三個方面進(jìn)行了系統(tǒng)研究，針對原支護(hù)方案存在問題提出對應(yīng)的改良對策，并設(shè)計出相對合理的優(yōu)化支護(hù)方案。研究成果為山西三元煤業(yè)后期同煤系特厚煤層巷道錨桿（索）支護(hù)設(shè)計提供科學(xué)依據(jù)，具有重要的理論與實(shí)踐意義和良好的推廣應(yīng)用前景。