厚煤層進風順槽巷道支護優化研究與應用

王玉中

（陽泉煤業（集團）有限責任公司一礦，山西 陽泉 045008）

1 陽煤一礦K8207工作面概況

K8207工作面地表位置為小西溝南，臭石巖溝以東，吳家掌村以西，小楊樹咀以北的山梁溝谷地帶，在雨季補給水量充沛。地表無建筑物，有部分農田及山林。工作面井下位置位于擴二區輔助回風巷以西，西大巷軌道巷以南，K8206工作面（已回采）以北。

K8207進風巷用作本工作面進風、運煤及下料，巷道設計長度912 m，預計服務年限為3年。巷道沿15號煤層底板掘進，留有頂煤，兩幫主體為煤，不受采空區及其他影響，屬簡單類巷道。巷道最大坡度13°，最小坡度2°，平均6°。巷道地面標高1122~1224m，井下標高684~733 m，埋深為438~511 m。

煤層直接頂為黑色泥巖，厚度約1.17 m，巖芯破碎，巖層含炭質；基本頂為K2石灰巖，平均厚度約10.14 m，深灰色，致密堅硬，局部含動物化石；煤層底板為細粒砂巖，平均厚度約4.5 m，黑灰色，含石英、云母炭屑，硅質膠結。

該區域總體為一單斜構造，局部地段發育成為次一級的向、背斜構造。煤層傾角在2°~13°間。根據周邊地質資料分析，預計在掘進過程中會遇到一些落差2 m左右的斷層及撓曲構造，到時會對掘進有一定影響。

2 巷道原支護

巷道原來支護如圖1所示。頂板采用全錨索進行支護，采用6根長短錨索交替布置，規格為Φ17.8-7200/5200，其中7.2 m錨索按照“二四”和“三五”進行輪流布置，錨索托板為240 mm×200 mm×85 mm鑄鋼錨索托板如圖9，錨桿配合采用波紋鋼帶護頂，規格為4-220-5100-940-6。巷幫采用4根直徑20 mm、長度2 000 mm的圓鋼麻花錨桿，鋼號為Q235。錨桿托板采用350 mm×120 mm×40 mm的花式托板，如圖1所示。全斷面掛網，頂部、兩幫網片采用經緯網。錨索的間排距為950 mm×800 mm。頂錨索預緊力要求為170 kN（45 MPa），幫錨桿錨固力要求50 kN，錨桿預緊力矩120 N·m。

圖1 巷道原支護示意圖（單位：mm）

3 礦壓及變化情況

由于巷道巷道掘進過程中受構造應力影響，局部圍巖應力不穩定。對井下圍巖變形進行觀測統計，發現巷道頂板穩定性差，局部下沉量大。巷道的煤幫控制效果差，變形和位移量大，局部破碎嚴重，出現錨桿失效現象，部分區段巷道寬度不足4.0 m，兩幫變形達約500 mm。

分析可知，巷道頂板采用全錨索支護，頂板強度和剛度相對較高，可主動及時支護圍巖，控制頂板變形；相反，由于錨桿托板的支護限制，托板面積小，單體錨桿為花式托板，對金屬網和幫的支護效果不均勻，支護效果差。現錨桿的破斷力和預緊力小，加上錨桿僅有120 N·m的預緊扭矩，造成巷道了兩幫整體支護強度低，支護無法滿足巷道變形的支護破壞，局部變形大，難以控制。

進風巷兩幫局部有變形破碎，出現托板后空現象，分析主要是因為巷幫錨桿預緊力較小，加之錨桿護表構件不合理，當煤體松軟破碎時，容易出現片幫變形，造成巷道失穩破壞，所以可在保證其支護效果的前提下，進行了高預應力支護優化及推廣，提高了巷道支護的科學性，實現頂幫支護的安全，確保施工經濟成本優化，為巷道狀況的改善創造了條件，實現礦井高產高效生產。

4 巷道支護初始設計

考慮到生產的要求和巷道圍巖變形預留量，設計K8207進風巷斷面尺寸如下，凈斷面寬5 000 mm，高2 900 mm，凈斷面面積14.5 m2，掘進斷面寬5 200 mm，掘進斷面高3 000 mm，掘進斷面面積15.6 m2。根據地質條件、優化數值模擬及工程實踐經驗，確定巷道剩下350 m采用新支護方案進行試驗。

4.1 頂板支護

頂板采用全錨索+金屬網進行支護，錨索規格為Φ17.8×6 300 mm鋼絞線，頂板一排布置6根，排距1.0 m，間距0.9 m。錨索布置方式要全部垂直頂板。采用300 mm×300 mm×16 mm高強度可調心托板及配套鎖具，高度不低于60 mm，承載能力不低于350 kN。錨固由兩支規格分別為MSCK2340和MSZ2380的錨固劑組合加工而成。鉆頭直徑為28 mm，錨固長度為1 360 mm。錨索預緊力不小于230 kN。

網片規格：巷道采用菱形網和鋼筋網配合護頂，鋼筋網為直徑6.5 mm鋼筋焊接而成，網孔規格100 mm×100 mm，網片規格為2 700 mm×1 100 mm；金屬菱形網材料為10號鐵絲，網孔規格50 mm×50 mm，網片規格5 400 mm×1 100 mm，菱形網和鋼筋網兩種網片聯接時均搭接100 mm，采用16號鉛絲聯接，雙絲雙扣梳辮法孔孔相連，并不得小于3扣。

4.2 巷幫支護

錨桿形式和規格：桿體為20號長度2.0 m左旋螺紋鋼錨桿，采用高強錨桿螺母M22，配合高強托板調心球墊和尼龍墊圈，托板采用拱型高強度托板，高度不低于36 mm，托板尺寸不小于150 mm×150 mm×10 mm，承載能力不低于154 kN。

鋼筋托梁：采用直徑14 mm鋼筋焊接而成，鋼筋托梁寬度80 mm，長度2 400 mm。

網片規格：巷幫鋪設單層菱形網，金屬網材料為10號鐵絲，網孔規格50 mm×50 mm，網片規格2 600 mm×1 100 mm，兩網片之間搭接100 mm，采用16號鉛絲聯接，雙絲雙扣梳辮法孔孔相連，并不得小于3扣。

錨桿布置：每排3根錨桿，錨桿排距1 000 mm，間距1 100 mm。

巷道支護布置如圖2所示。

圖2 巷道支護布置圖（單位：mm）

5 支護應用效果分析

巷道頂板最大下沉量87 mm，兩幫最大移近量45 mm，占巷道尺寸比例很小，巷道的變形量主要集中在構造破碎段；錨桿初始預緊力50~90 kN，平均值80 kN；稍有增大后趨于穩定。頂錨索初始預緊力損失之后分別達到170 kN、190 kN、200 kN，受力最大值達到260 kN，之后趨于穩定。

原方案折合每排成本1 372元，折合每米成本1 614元；新方案折合每米成本1 432元，較原方案節省182元，約11%；新方案巷幫折合每米成本1 490元，較原方案降低124元，約8%；新方案巷幫折合每米成本1 600元，和原方案持平，但有效解決了巷幫支護偏弱問題，避免后期的返工維修，保證了巷道安全。