新元礦大斷面回采巷道支護優化實踐

鞏 赟

（山西新元煤炭有限責任公司，山西 壽陽 045400）

當前我國煤礦的產能有了大幅提高，綜采設備也逐漸向大型化發展，導致工作面回采順槽的斷面越來越大[1-3]。山西新元煤炭有限責任公司主采的9#煤層，巷道斷面達到28.6 m2，在常規的錨桿索支護下巷道變形量大，回采過程中需要多次維修，對生產造成嚴重影響。

1 工程概況

1.1 地質概況

9105 工作面所采煤層為9#煤，煤層埋深約590～640 m 之間，平均埋深620 m，煤層厚度3.06～4.07 m，平均3.40 m，傾角1°～5°，平均2°。工作面頂底板巖性如圖1。

圖1 9 號煤頂底板巖性

1.2 原巷道支護

9105 工作面進風順槽規格5200 mm×5500 mm（寬×高），頂板采用錨網索聯合支護，巷幫采用錨桿支護。頂、幫錨桿均為Φ22 mm×2400 mm的高強螺紋鋼錨桿，采用兩卷K2360 樹脂藥卷錨固，間排距為900 mm×900 mm，垂直布設，采用8#菱形金屬網，鋼筋梯子梁接連。頂錨索直徑為20 mm，1×19 股鋼絞線制作，采用三卷K2360 樹脂藥卷錨固，呈“二一二”五花布置，單根錨桿布置在巷道中間，兩根錨索分別在中間兩側1000 mm的位置，錨索均垂直頂板布置，配400 mm×400 mm×16 mm（長×寬×厚）的大托盤護頂。

2 地質力學測試

2.1 煤巖體結構觀測

為對頂板和兩幫煤巖體的巖性分布有直觀、詳細的了解，采用電子鉆孔窺視儀進行觀測。共設置3 個測點，每個測點施工頂板鉆孔2 個，深度為21 m，巷幫鉆孔1 個，深度為10 m。其中2 號測點的觀測結果如圖2。

圖2 鉆孔窺視結果

根據鉆孔窺視結果，結合相關的礦井地質資料分析可知，頂板淺部1.9 m 范圍內為深灰色炭質泥巖，較為松軟，其中0.1～0.4 m、1.0～1.5 m 范圍內裂隙發育程度高，完整性差。1.9～9.8 m 為砂質泥巖，整體性較好，1 號測點在6.2 m 發現一橫向裂隙，對頂板穩定性造成了一定的影響。9.8～12.9 m 范圍內為灰黑色泥巖，未觀察到明顯的裂隙。13 m 以上為砂質泥巖，呈深灰色，完整性較好，部分地段夾有0.1 m 左右的煤線，但影響較小。

巷幫夾矸較多，0～2.4 m、3.1～4.2 m、5.2～6.8 m 范圍內均為夾矸，煤層與矸石層之間的膠結性差，淺部裂隙發育，完整性低，不利于巷道的穩定。

2.2 地應力測試

采用SYY-56 型水壓致裂地應力測量儀進行地應力測試，共設置三個測點。通過井下地應力測試，并對測試結果進行整理、計算和分析可以得到：

（1）9105 進風巷附近的最大水平主應力為18.2 MPa，最小水平主應力為6.28 MPa，垂直應力平均值為16.16 MPa，最大水平主應力方向為N68.1°E。

（2）根據地應力強度劃分標準，該區域屬于中等～高等強度應力區域。

（3）三個測點中有兩個測點的最大水平主應力小于垂直應力，因此該區域以垂直應力為主，對巷道兩幫的影響較大。

2.3 錨固力試驗

為判定巷道煤巖體的可錨性，測試錨桿錨固力，在巷道中進行了錨桿索的拉拔試驗，結果見表1。

表1 錨桿拉拔試驗結果（單位：kN）

由測試結果可以看出，巷道頂板及兩幫的錨桿錨固力均未達到設計要求（150 kN），分析原因為巷道淺部圍巖體裂隙發育程度高，完整性大，受中強地應力的影響，本身的自穩能力低，影響了錨固效果。

3 支護方案優化

3.1 提高錨桿預緊力

錨桿預緊力主要是通過采用扳手擰緊螺母，對錨桿托盤進行擠壓實現的[4-5]。扳手施加的扭矩大小、桿體的直徑、長度、摩擦系數等都會對預緊力造成影響，其關系表達式為：

式中：P0為預緊力，kN；M為螺母安裝扭矩，kN；k為轉換系數，主要與螺母和螺紋之間的摩擦系數、螺母和墊圈之間的摩擦系數、桿體直徑等有關系。

從上式可以看出，提高安裝扭矩、增大轉換系數可以提高錨桿的預緊力，主要途徑有：

（1）采用專用的高扭矩螺母擰緊設備

目前國內普遍應用的錨桿鉆機的輸出扭矩普遍在150 N·m 以下，而錨桿臺車、掘錨聯合機組的扭矩則超過500 N·m，在施加預緊力的同時還可以對頂板產生400 kN 以上的推力，因此效果較好。因此，引進聯合機組是提高螺母安裝扭矩的有效途徑。條件不具備的情況下，采用氣動扳手等對錨桿二次預緊也可提高其預緊力。

（2）增大轉換系數

通過提高桿體端部螺紋的加工精度、采用專用的油脂對螺紋潤滑等可以降低螺母與錨桿螺紋段間的摩擦系數，在螺母與托盤之間添加墊圈可以有效減少摩擦阻力，從而提高k 值。

（3） 采用高強度錨桿索

當前采用的高強螺紋鋼錨桿的拉斷載荷為216.7 kN，剪斷載荷為151.7 kN，Φ20 錨索的拉斷載荷為510 kN，相對較低。而高強度錨桿索可以承受更高預緊力，同時在應力影響下，預緊力衰減小，保證支護強度。

3.2 巷道支護優化方案

根據以上分析，結合現有支護中存在的問題，確定9105 進風順槽優化后的支護方案如圖3。

圖3 9105 工作面進風順槽支護方案（mm）

（1）頂板支護

頂錨桿桿體為BHRB500 鋼材制作，規格為Φ22 mm×2400 mm，螺紋為M24 mm。錨桿間排距為900 mm×900 mm，每排布置6 根，均垂直頂板。采用兩卷K2360 樹脂藥卷加長錨固，錨固力不小于190 kN。W 鋼帶的規格為BHW235/280/4-4800-6，兩邊壓邊。托盤為150 mm×150 mm×10 mm（長×寬×厚）的高強度拱形托板，配套使用調心球墊和塑料墊片。網片規格為5400 mm×1000 mm 的金屬網，網孔為50 mm×50 mm。

在錨桿初次安裝結束后1 h 內進行二次預緊，要求預緊力不得低于400 N·m，

錨索長度為6300 mm，規格為21.6 mm，“3-2”布置，間距分別為1600 mm、2000 mm，排距為1800 mm，均垂直頂板打設。采用3 支Z2360 樹脂藥卷錨固，配300 mm×300 mm×16 mm 高強度可調心托板及配套鎖具，托板承載力不低于500 kN，托板高度不低于60 mm，預緊力不小于250 kN。

（2）兩幫支護

幫錨桿規格與頂錨桿相同，每排布置7 根，排距為900 mm，初次掘進時巷道高度為3500 mm，間距為900 mm，臥底后巷道高度為5500 mm，臥底段的間距為700 mm。所有錨桿均垂直巷道打設。巷幫W 鋼帶的規格為300 mm×460 mm×4 mm，四邊壓邊。金屬網的規格為5500 mm×1000 mm。錨桿錨固力不得小于190 kN。

巷幫錨索直徑17.8 mm，長度4300 mm，采用3 支MSZ2360 樹脂藥卷錨固，“3-2”布置，間距分別為1900 mm、2250 mm，排距1800 mm。幫錨索托板同頂錨索。預緊力不得小于150 kN。

3.3 礦壓觀測

采用優化支護方案，在9105 進風巷中布置測點，對巷道表面位移進行觀測。測點間距為50 m，一共設置4 個，其中三號測點的觀測結果如圖4。

圖4 巷道表面位移觀測結果

由圖可以看出，成巷初期，巷道變形速度較慢，變形量逐步增加，最大的頂板下沉速度為3.7 mm/d，兩幫移近速度為1.6 mm/d。巷道變形在12 d 后達到穩定，頂板最終下沉量為41.6 mm，兩幫移近量為17.6 mm，新的支護方案取得了較好的控制效果。

4 結論

（1）9105 工作面順槽斷面大，且頂板和兩幫淺部裂隙發育程度高，完整性差，以垂直應力為主，為中等～高等強度應力區域，對巷道穩定性造成了較大影響。

（2）錨桿預緊力與扳手施加的扭矩大小、桿體的直徑、長度、摩擦系數等有關，采用專用的高扭矩螺母擰緊設備、提高桿體端部螺紋的加工精度等可以提高錨桿預緊力。

（3）9105 回風順槽采用優化的支護方案后，巷道變形量小，控制效果好，可為大斷面回采巷道支護提供參考。