東周窯煤礦8106 工作面回采巷道圍巖強度分析及支護技術研究

劉振華

（晉能控股煤業(yè)集團同發(fā)東周窯煤業(yè)有限公司，山西 大同 037100）

1 工程概況

東周窯煤礦8106 工作面位于石炭系太原組5 號層一盤區(qū)，工作面西北側為8102 工作面采空區(qū)，回風巷與采空區(qū)間的煤柱寬度為6 m，工作面平面位置如圖1 所示。8106 工作面開采C5 號煤層，煤層厚度5.86～7.93 m，平均厚度6.90 m，平均傾角5°，煤層頂板為砂巖，底板巖層為細砂巖。5106 回風巷主要為8106 工作面提供行人和回風服務，由于巷道掘進時會通過斷層和淋水等特殊地段，現(xiàn)為保障5106 回風巷圍巖的穩(wěn)定，特進行圍巖強度測試及支護方案的設計研究。

圖1 8106 工作面巷道布置圖

2 圍巖強度分析與支護原則

2.1 圍巖強度分析

為掌握工作面區(qū)域圍巖強度，采用WQCZ-56型圍巖強度測定裝置進行圍巖強度測試，圍巖測試在5106 回風順槽頂板和兩幫上進行布置[1-3]，圍巖強度測試原理如圖2 所示。

圖2 圍巖強度測定原理示意圖

根據圍巖強度的測定結果，得出5106 回風順槽頂板和兩幫圍巖強度測定曲線如圖3 所示。

通過分析圖3 和煤巖體窺視結果可知，巷道圍巖頂板巖性強度變化較大，淺部1.2 m 處最高達到80 MPa，而最低處5.6 m 強度經緯12.57 MPa，從圍巖窺視圖可見該處存在煤線，總體來看，頂板強度變化起伏較大，巖層厚度和巖性變化較大，對巷道支護提出較高要求；從兩幫圍巖強度曲線可以看出淺部0～1.6 m 范圍內巷幫煤體強度較小，平均13.6 MPa，隨著深度的增加，幫部煤體強度隨之增大，1.6～4.0 m范圍內煤體強度達到20 MPa，說明巷幫強度和穩(wěn)定性有所提高，但是巷道煤幫在6 m 深度強度大幅降低，從窺視圖可以看出，該處巷幫存在空洞和內息，對于后期小煤柱巷幫的維護存在一定影響。

圖3 5106 回風順槽兩幫煤體強度測試曲線

2.2 支護原則

根據8106 工作面的地質生產條件，結合5106回風順槽圍巖強度測試分析結果，設計巷道采用錨網索支護，支護原則如下：

1）一次支護：采用錨網索支護時，應盡可能的在一次支護時達到保障圍巖穩(wěn)定的目的，避免巷道由于動壓影響變形導致其無法滿足使用要求而進行二次或多次支護[4-5]；巷道在揭露時采用錨桿支護的效果最佳，當巷道圍巖已經出現(xiàn)破壞或離層后此時進行而二次或多次支護時，支護效果會大幅降低。

2）高預應力和預應力擴散原則。錨桿主動支護的效果是通過預應力在圍巖體內的擴散實現(xiàn)，通過對錨桿索施加高預應力，可提升錨桿支護的整體剛度和完整性[6-7]。

3）“三高一低”原則。即高強度、高剛度、高可靠性與低支護密度原則。

4）臨界支護強度與剛度原則：巷道采用錨桿索支護時，若圍巖的臨時支護強度低于臨界值時，此時巷道圍巖處于不穩(wěn)定狀態(tài)，支護結構無法保障圍巖的穩(wěn)定，需保障支護強度和剛度大于臨時值，方能保障圍巖穩(wěn)定[8]。

3 支護方案及效果

3.1 支護方案

根據8106 工作面的5106 回風巷主要為工作面提供回風、行人等服務，巷道沿煤層底板掘進，掘進斷面為矩形，掘進寬度×高度= 5 000 mm×3 800 mm，根據上述支護原則，結合圍巖強度分析結果，設計巷道頂板采用全錨索支護，為在頂板巖層不同深度形成主動支護，設計頂板采用長短錨索相結合的支護方式，兩幫采用錨桿+短錨索的支護方式，具體支護方案如下：

1）頂板支護：頂板錨索采用1×7 股高強度低松弛鋼絞線，長短錨索規(guī)格分別為21.8 mm×7 200 mm 和21.8 mm×5 200 mm 的錨索，頂板短錨索每排布置5 根，間排距1 100 mm×800 mm。長錨索布置在2 排短錨索之間，間排距2 200 mm×800 mm，錨索均垂直頂板布置，短錨索和長錨索間均通過W型鋼帶進行連接，W 型鋼帶為長度×寬度×厚度=4 700 mm×280 mm×4 mm，錨索采用樹脂加長錨固，預緊力300 kN，巷道表面采用金屬網進行護表。

2）巷幫支護：錨桿采用螺紋鋼錨桿，規(guī)格為20 mm×2 400 mm，間排距1 000 mm×800 mm，采用樹脂加長錨固，錨桿間采用規(guī)格為長度×寬度×厚度= 450 mm×280 mm×4 mm 的W 鋼護板護幫，錨桿均垂直巷幫布置，錨桿預緊扭矩為450 N·m，幫錨索采用規(guī)格為17.8 mm×4 200 mm 的1 7 股高強度低松弛預應力鋼絞線，長度4 200 mm，錨索采用“二一二一”布置幫錨索，排距900 mm，間距2 000 mm。錨索均垂直煤壁打設，幫錨索預緊力為200 kN。巷幫表面同樣采用金屬網進行護表。

具體5106 回風巷錨網索支護斷面如圖4 所示。

圖4 5106 回風巷支護斷面圖

3.2 效果分析

5106 回風巷掘進期間，巷道內每間隔50 m 布置一組礦壓監(jiān)測站，監(jiān)測內容包括圍巖變形量、錨桿索受力情況，其中圍巖變形量采用十字布點法進行量測，錨桿索受力情況采用錨桿索測力計進行監(jiān)測，根據巷道掘進期間的觀測數(shù)據能夠得出圍巖變形曲線和錨桿索受力曲線。

1）圍巖變形情況分析：根據5106 回風巷掘進期間的圍巖變形數(shù)據，繪制出圍巖變形曲線見圖5。

圖5 圍巖變形曲線圖

分析圖5 可知，5106 回風巷掘進期間，巷道頂板的最大下沉量為32 mm，左幫最大變形量為38 mm，右?guī)妥畲笠平繛?6 mm，巷道整體變形小。另外現(xiàn)場來看巷道頂板完整，兩幫整齊，說明巷道掘進期間圍巖變形量得到有效的控制。

2）錨索受力情況分析：巷道頂板監(jiān)測4 根錨索，其中3 根短錨索，1 根長錨索，巷道左幫監(jiān)測2 根錨索，右?guī)捅O(jiān)測1 根錨索，具體錨索受力曲線見圖6。

圖6 巷道掘進期間錨索受力曲線圖

分析圖6 可知，頂錨索初始預緊力損失之后初始受力達到120～200 kN 之間，平均值為160 kN，掘進初期受掘進影響波動較大，之后錨索受力波動較小，最終頂錨索受力保持在123～180 kN 之間，平均值為151 kN。幫錨索由于煤壁較軟以及預應力損失，幫錨索獲得初始預緊力在20～97 kN 范圍之間，平均值約58.5 kN，掘進初期幫錨索受掘進影響受力變化較大，之后幫錨索受力變化幅度趨為穩(wěn)定，最終幫錨索工作阻力保持在20～143 kN 范圍之間，平均值為81.5 kN。

3）幫錨桿受力情況分析：巷道左右兩幫分別監(jiān)測1 根錨桿的受力情況，具體錨桿受力曲線見圖7。

圖7 巷道掘進期間巷幫錨桿受力曲線圖

分析圖7 可知，幫錨桿獲得初始預緊力在55 kN左右，通過數(shù)據得出幫錨桿受力隨著工作面的推進呈現(xiàn)穩(wěn)步下降趨勢，最終錨桿受力在30 kN 左右。

綜合上述分析可知，巷道掘進初期錨桿錨索受力變化大，受掘進影響明顯，整體數(shù)據表明5106 巷錨桿和錨索的受力達到設計要求，錨桿和錨索預緊力大幅增加，實現(xiàn)了及時主動的支護效果。

4 結 論

根據8106 工作面的地質賦存特征，通過現(xiàn)場圍巖強度測試得出工作面回采巷道圍巖強度低，需要較高的支護要求，基于圍巖強度測試結果，確定巷道的各項支護原則，結合5106 回風巷的具體參數(shù)，設計巷道頂板采用長短錨索支護，兩幫采用錨桿+短錨索支護，根據巷道掘進期間的礦壓監(jiān)測數(shù)據可知，巷道在該支護方案下圍巖處于穩(wěn)定狀態(tài)。