2309 工作面順槽巷道頂板支護優化研究

張亞飛

（晉能控股裝備制造集團趙莊二號井，山西 晉城 048000）

1 工作面概況

趙莊二號井2309 工作面巷道布置如圖1。23091 順槽、23092 順槽沿頂板留底煤掘進，煤層平均厚度4.6 m，煤層平均傾角3°。順槽頂板由泥巖、砂質泥巖、粉砂巖及砂巖組成，結構較為復雜，頂板泥巖和砂質泥巖節理裂隙發育[1-3]。23091 順槽、23092 順槽頂板砂質泥巖平均厚度達到10.78 m，在兩順槽掘進期間，部分區域0.5～2 m 厚的頂板極為不穩定，破碎、離層嚴重，部分區域甚至發生冒頂。

圖1 2309 工作面巷道布置圖

2 圍巖地應力測試

利用SYY-56 型小孔徑水壓致裂裝置[4]進行地應力測試，測站位置：第一測站位于井底車場配風巷內，第二測站位于1304 外回風順槽（13044 巷）內，第三測站位于東軌大巷，距離6#橫川向里60 m 處。測試結果見表1。

表1 地應力現場測試結果表

三個測站的最大水平主應力范圍為13.02～14.78 MPa，最小水平主應力范圍為6.71～7.58 MPa，側壓系數在1.09～1.46 之間，在地應力量值上屬于中等應力值區域，最大水平主應力方向均為北偏東方向。三個測站最大水平主應力均大于垂直應力，應力場類型為σH＞σV＞σh應力場。受最大水平主應力的影響，2309 工作面順槽巷道頂、底板穩定性將差于兩幫穩定性，要重點加強對順槽巷道頂板的支護。

3 順槽頂板支護設計優化

在順槽頂板原支護參數基礎上，對支護設計進行優化，23092 巷掘進進尺300～500 m 范圍分布有陷落柱，導致此區域頂板破碎更為嚴重，因此將順槽頂板支護優化分為常規區域優化和構造區域優化兩類。

3.1 原順槽頂板支護方式

頂板錨桿型號Φ22 mm×2400 mm，排距1200 mm，間距1000 mm，每排5 根。錨桿鉆孔直徑28 mm，錨固力不小于100 kN，預緊力矩不小于400 N·m。錨桿托盤規格為150 mm×150 mm×8 mm。頂板鋼帶寬度80 mm，長度4100 mm，由Φ14 mm 的鋼筋焊接而成。護頂金屬菱形網網片由10#鉛絲編制而成，規格為4.7 m×1.3 m，網孔尺寸50 mm×50 mm。錨索采用1×19 股高強度低松弛預應力鋼絞線，型號為Φ22 mm×6400 mm，排距2.4 m，每排2 根，錨索鉆孔直徑30 mm，預緊力不小于300 kN，采用300 mm×300 mm×16 mm 的高強度可調心托板及配套鎖具。如圖2。

圖2 傳統順槽頂板支護方式示意圖（mm）

3.2 順槽頂板支護方式優化

1）常規區域順槽頂板支護優化

頂板錨桿型號Φ22 mm×2400 mm，排距為1200 mm，間距為1000 mm，每排5 根。錨桿鉆孔Φ28 mm，錨固力不小于100 kN，預緊力矩不小于400 N·m。錨桿托盤規格為150 mm×150 mm×8 mm。頂板鋼帶寬度80 mm，長度4100 mm，由Φ14 mm 的鋼筋焊接而成。護頂金屬菱形網網片由10#鉛絲編制而成，規格為4.7 m×1.3 m，網孔尺寸50 mm×50 mm。錨索采用1×19 股高強度低松弛預應力鋼絞線，型號為Φ22 mm×6400 mm，排距1.2 m，每排2 根，錨索鉆孔直徑30 mm，預緊力不小于300 kN，采用300 mm×300 mm×16 mm的高強度可調心托板及配套鎖具。

2）構造區域順槽頂板支護優化

23092 巷300～500 m 范圍受陷落柱影響頂板破碎更為嚴重，此區域應提高支護強度。在優化后的常規區域順槽頂板支護參數基礎上，將錨桿排距由1200 mm 加密為排距1000 mm，錨索型號由Φ22 mm×6400 mm 優化為Φ22 mm×8400 mm，錨索排距由1200 mm 加密為排距1000 mm，其他參數不變。

優化后的順槽頂板支護方式如圖3。

圖3 優化后的順槽頂板支護方式示意圖（mm）

3.3 支護效果模擬分析

采用FLAC3D軟件對優化后的支護方案進行模擬分析。由圖4 的順槽垂直位移分布云圖可知，采用優化的支護方案后，順槽常規區域頂板最大下沉量為92 mm，順槽構造區域的頂板最大下沉量為271 mm，頂板下沉量均能夠保障順槽的安全使用，說明優化后的支護方案能夠有效控制2309 工作面順槽頂板變形，可以進行現場試驗。

4 現場試驗效果

在23091 順槽和23092 順槽進行現場支護實踐，并在23092 順槽的常規區域以及300～500 m 構造區域內分別布設礦壓監測測站分析巷道頂板下沉情況。

由圖5 順槽頂板下沉曲線可知，隨著回采工作面距離測站越來越近，測站頂板下沉量逐漸增大。在順槽常規區域，距離工作面24～153 m 范圍頂板緩慢下沉，距離工作面7～24 m 范圍頂板增速變形，距離工作面0～7 m 范圍頂板下沉速度加快，最終頂板最大下沉量為85 mm。在順槽構造區域，距離工作面65～153 m 范圍頂板緩慢下沉，距離工作面25～65 m 范圍頂板增速變形，距離工作面0～25 m 范圍頂板下沉加快，最終頂板最大下沉量為289 mm。現場試驗的順槽巷道常規區域頂板下沉量較小，效果較好，構造區域頂板下沉量較常規區域有所增加，但最大下沉量仍在可控范圍之內，能夠保障順槽巷道的安全使用。

圖5 工作面回采期間23092 順槽頂板下沉曲線

5 結論

通過圍巖地應力測試得到了地應力分布情況，結合2309 工作面頂板砂質泥巖顯著變厚的特點，對2309 工作面順槽常規區域和構造區域的頂板支護設計進行了優化。現場應用表明，采用優化支護方案，順槽常規區域頂板最大下沉量為85 mm，構造區域頂板最大下沉量為289 mm。順槽常規區域和構造區域的頂板下沉量均在控制范圍之內，未出現嚴重下沉、掉矸情況，表明優化后的頂板支護方案合理可靠，保障了2309 工作面回采期間順槽的安全穩定，為類似條件順槽支護設計提供了參考。