新元礦松軟煤層回采巷道支護方案與應用

潘 欣

（山西新元煤炭有限責任公司，山西 壽陽 045400）

1 工程概況

山西陽煤集團新元煤礦9105 工作面位于井田北翼，工作面開采9#煤層，煤層均厚3.40 m，平均傾角2°。煤層內節(jié)理裂隙發(fā)育，其普氏硬度系數(shù)在1.5 以下。根據(jù)上述特征可知9#煤層屬松軟煤層，煤層頂?shù)装鍘r層特征見圖1。

圖1 煤層頂?shù)装鍘r層柱狀圖

9105 工作面進風巷沿煤層頂板掘進，但由于進風巷區(qū)域直接頂出現(xiàn)變薄及尖滅的現(xiàn)象，故巷道在實際掘進期間沿8#煤層底板作業(yè)，掘進斷面為寬×高=5.2 m×5.5 m，屬于大斷面回采巷道，巷道兩幫為松軟煤層。

2 圍巖變形機理及支護原則

2.1 圍巖變形機理

根據(jù)眾多工程實踐表明，巷道圍巖的變形破壞主要受掘進期間的加卸載作用及工作面的回采動壓影響，基于巷道圍巖所受的荷載變形規(guī)律可知:淺部圍巖體在掘進和采動的加載和卸載作用下呈現(xiàn)出松軟破碎且裂隙發(fā)育特性，而巷道深部圍巖體由于掘進和回采的加卸載作用對其作用效果較弱，故而其能夠保持一定的完整性[1]，具體深、淺部圍巖體分區(qū)及變形特征見圖2。

圖2 巷道圍巖分區(qū)變形特征

巷道掘進期間，巷道圍巖體在開挖超前應力的作用下，圍巖體會經歷開挖導致的強卸載作用。工作面回采期間，巷道會進一步經歷回采動壓擾動下的多次加載和卸載作用。針對淺部圍巖體，其在重復多次的加載和卸載作用下，圍巖體表現(xiàn)為出現(xiàn)一定程度的體積變形。在卸載期間，圍巖體會沿著卸載方向出現(xiàn)一定程度的膨脹變形，并且圍巖體的體積膨脹會隨著卸載強度的增大而逐漸增大；此時巖體內部的節(jié)理裂隙在膨脹作用下進一步發(fā)育，當圍巖體體積膨脹到一定程度后，巖體便會出現(xiàn)脆性破壞，進而導致淺部圍巖體表現(xiàn)為節(jié)理裂隙發(fā)育且松軟破碎的特征。針對深部圍巖體，由于采掘動壓對其擾動較小，故而其在沿卸荷方向上的體積膨脹率較小，而且采掘動壓對深部圍巖體的影響可簡化為多次軸向加載，巖體在軸向應力的作用下的變形以延性變形為主[2]。

2.2 支護原則

根據(jù)9105 工作面進風順槽松軟煤層大斷面圍巖變形特點，確定采用高預應力強力一次支護理論進行巷內錨桿支護設計，其支護原則是：

（1）保持圍巖完整性，使圍巖-支護協(xié)同作用，共同支護圍巖，抵抗圍巖受動壓影響引起的大變形。圍巖控制的關鍵在于最大程度的保障圍巖體的完整性，這需要主動支護提供充足的強度，以抵抗圍巖體的應力作用。

（2）增加圍巖護表面積，提高松軟煤層穩(wěn)定性。由于9105 進風順槽圍巖的自身特性表現(xiàn)為節(jié)理裂隙發(fā)育、完整性差，在采動應力作用下易出現(xiàn)片幫、剝皮的現(xiàn)象，基于此確定巷道表面采用護表面積大的W型鋼護板配合金屬網的形式以提升巷道表面的護表力。

（3）分部分區(qū)強化圍巖，使深、淺部圍巖共同作用。由于9105 進風順槽淺部圍巖體與深部圍巖體之間物理力學性質差異較大，在進行巷道支護設計時，應針對圍巖具體情況進行分部、分區(qū)的支護，設計淺部圍巖體采用高預應力錨桿（索）支護技術[3-4]。

（4）主動支護應具有充足的強度和較高的延伸率。由于大斷面巷道在采動影響下圍巖會表現(xiàn)為變形量大且變形劇烈的特征，為控制變形量，需提升主動支護的強度，以增強圍巖體的承載能力。另外主動支護還需具有較高的延伸率，以適應采動影響下圍巖體的變形，確保支護效果。

（5）及時支護圍巖，避免圍巖早期產生過度有害變形。巷道掘進期間，在超前支承壓力的作用下圍巖體已經發(fā)生了一定程度的變形，在巷道開挖之后及時進行支護，避免有害變形的早期過度發(fā)生[5-6]。

3 支護方案及效果

3.1 支護方案

基于上述巷道圍巖變形機理及大斷面巷道圍巖支護原則，采用高預應力強力錨桿支護方案，具體支護參數(shù)見表1，其中：

表1 9105 工作面進風順槽參數(shù)

巷道頂板錨桿和錨索均垂直于頂板巖層打設，其中頂板錨桿采用樹脂加長錨固，錨固長度為1 017 mm，托盤采用高強度拱形托盤，錨桿預緊扭矩大于400 N·m；頂板錨索采用2-2 布置，錨固方式為樹脂加長錨固，錨固長度1 460 mm，預緊力：≥250 kN，托板采用高強度可調心托板，另外錨桿索之間采用規(guī)格為300 mm×460 mm×4 mm W鋼護板配合金屬網進行護表，網片為網格50 mm×50 mm的10#鐵絲編織。

巷道兩幫錨桿型號、材質、間排距、錨固方式、錨固長度、托盤等均同頂板錨桿，錨桿垂直于巷幫打設，錨桿預緊扭矩大于300 N·m；兩幫錨索采用2-1 布置，當巷道斷面內布置兩根錨索時，錨索間距2 250 mm，上部與下部錨索分別距頂板和底板的距離為500 mm和750 mm，當斷面內布置一根錨索時，其距頂板的距離為1 800 mm，巷幫錨索預緊力≥150 kN，護表支護方式同頂板。

序號 名稱 型號 每排數(shù) 備注10 樹脂錨固劑 MSZ23120 7.5 —11 金屬網 5 400 mm×1 000 mm 1 10#鉛絲編織，網格50 mm×50 mm 12 金屬網 5 500 mm×1 000 mm 2 10#鉛絲編織，網格50 mm×50 mm

具體支護方式見圖3。

圖3 巷道支護方式

3.2 效果分析

為驗證9105 工作面進風順槽的支護效果，進風順槽掘進期間，在巷道掘進頭處設置表面位移監(jiān)測站，持續(xù)監(jiān)測至監(jiān)測斷面滯后掘進迎頭100 m 的位置；9105 工作面回采期間，在超前工作面120 m的位置處布置表面位移監(jiān)測站，基于監(jiān)測結果得出圍巖變形曲線見圖4。

圖4 巷道圍巖變形曲線

分析圖4（a）可知，巷道掘進期間，圍巖變形量隨著測點與掘進迎頭之間距離的增大而逐漸增大，當監(jiān)測斷面滯后掘進迎頭50 m后，此時巷道變形趨于穩(wěn)定；巷道變形以兩幫變形為主，頂?shù)装遄冃屋^小，這與兩幫較為軟弱有關。總體來看，掘進期間巷道變形量較小。分析圖4（b）可知，工作面回采期間巷道頂?shù)装寮皟蓭妥畲笠平糠謩e為100 mm和160 mm，圍巖變形量較小。

4 結語

依據(jù)巷道圍巖變形機理，基于巷道圍巖支護原則，結合9105 進風順槽地質條件、巷道特征確定巷道采用高預應力強力一次支護方式。支護方案實施后進行圍巖變形監(jiān)測，分析9105 進風順槽圍巖變形監(jiān)測結果可知：支護方案實施后，巷道掘進及工作面回采期間，圍巖變形量均較小，保障了巷道圍巖穩(wěn)定，滿足回采使用要求。