81108工作面回风巷沿空掘巷支护技术优化

时间：2024-07-28

段博栋

（华阳新材料科技集团有限公司一矿，山西阳泉 045000）

1 工程概况

山西阳煤一矿81108工作面位于北丈八井十一采区81107工作面以东（已采），81109工作面以南（已采），8906工作面以西（已采），81105工作面以北（现掘）。81108工作面开采15#煤层，煤层厚度为5.6～6.36 m，平均厚度为5.98 m，煤层顶板为泥岩和石灰岩，底板为泥岩和砂质泥岩。工作面采用综采放顶煤开采方法，全部垮落法管理顶板。

81108工作面回风巷是沿15#煤基本顶掘进的半煤岩巷，属Ⅱ类巷道，回风巷与邻近采空区间的煤柱宽度为8 m，巷道掘进属于沿空掘巷，巷道宽度×高度=4800 mm×3300 mm。巷道顶板采用锚网索支护，巷帮采用锚杆+锚网支护，锚杆采用规格为Ф20 mm×2400 mm 的高强螺纹钢锚杆，顶板间排距为800 mm×900 mm，两帮间排距为900 mm×900 mm。顶板锚索采用Ф21.6 mm×8250 mm的1×7股钢绞线，间排距为 1300 mm×900 mm。如图1。根据现场观测可知，巷道掘进期间顶板下沉量大、两帮移近量大且底板鼓起严重，需进行巷道支护方案的优化。

图1 巷道原有支护断面图（mm）

2 围岩变形特征分析

2.1 围岩现场变形特征

81108工作面回风巷沿空掘巷期间，其巷道在8 m护巷煤柱和锚网索支护方案下，掘进期间围岩出现了大变形和严重破坏现象。

回风巷沿空掘巷期间，巷道围岩顶板裂隙纵横、破碎失稳严重，变形特征为顶板下沉、底鼓严重和两帮移近量大，其中在巷道局部位置围岩变形量大于1200 mm，巷道顶板出现大变形的“网兜”现象，存在漏顶和冒顶的风险。为保障巷道正常使用，需要反复起底和人工扩帮才能正常使用。由于巷道沿煤层基本顶掘进，巷道属于半煤岩巷，且由于15#煤层节理裂隙发育，煤层整体松软，煤层与直接顶泥岩接触面的位置处围岩稳定性差，进而易出现两帮变形量大的特征[1-3]；煤层基本顶岩层为泥岩和石灰岩复合岩层，岩层整体强度不高，故易出现顶板下沉量较大。

2.2 围岩变形过程

81108工作面回风巷采用原有支护时，巷道在原有支护方案下掘进100 m，每间隔25 m布置一个围岩变形观测点，通过十字布点法进行围岩变形观测，现取测站1和测站2进行分析，围岩变形曲线如图2。

分析图2（a）可知，测站1在100 d的监测期内，巷道围岩持续变形，两帮变形、底板鼓起和顶板下沉平均速率分别为1.6 mm/d、5.1 mm/d和2.4 mm/d，顶板下沉量、两帮移近量和底板鼓起量在观测期间的最大值分别为163 mm、517 mm和240 mm。

分析图2（b）可知，巷道两帮和底板持续变形较为剧烈，巷道两帮变形量大，观测72 d内移近量达到587 mm，且巷道底板鼓起量较为严重。通过4月3日和4日的卧底作业，监测期间底板的平均鼓起速率为6.6 mm/d，累计鼓起量达到476 mm。

图2 巷道原有支护方案下围岩变形曲线图

综合上述分析可知，巷道在现有支护方案和护巷煤柱下，观测期间围岩处于持续变形的状态，且保持了一定的变形速率，围岩的变形速率随着时间的增长无明显的降低现象。巷道沿空掘巷期间两帮和底板鼓起量大，顶板下沉量相对较小，但局部地段顶板较为破碎时也出现大变形的“网兜”现象。根据现场观测情况可知，巷道在现有支护方案下，围岩变形量大，需要不断进行扩帮和起底作业才能满足回采使用要求，这会严重影响生产效率。

3 支护优化方案及效果

3.1 支护优化方案

根据81108工作面回风巷在原有锚网索支护方案下的围岩变形特征，确定巷道采用顶帮协同支护技术，该技术要点如下：（1）支护中增加两帮的锚固深度，提升两帮的支护强度；（2）巷帮采用锚杆+锚索联合支护，通过锚索提升巷帮支护强度和密度，实现顶帮协同支护[4-6]。优化方案如下：

（1）顶板支护。锚杆采用Φ20 mm×2400 mm高强螺纹钢锚杆，间排距800 mm×900 mm，锚固长度为1200 mm，预紧扭矩为300 N·m，锚索采用Φ21.6 mm×8250 mm的1×7股钢绞线，间排距为1300 mm×900 mm，锚固长度为2400 mm，预紧力为150 kN；采用W型钢带+6#方形金属网护表。

（2）两帮支护。锚杆规格、间排距、锚固长度、预紧扭矩等参数同顶板，巷帮锚索采用规格为Φ17.8 mm×5000 mm的1×7股钢绞线，间排距为1500 mm×1800 mm，锚索采用端头锚固，锚固长度为2400 mm，预紧力为100 kN，巷帮锚索采用16#槽钢梁进行连接，槽钢长度为2100 mm，帮部锚杆同样采用W型钢带进行连接，表面采用6#方形金属网进行护表。

（3）回采前补强临时支护。在工作面回采前在巷中布置一排DW35-200/100型单体液压支柱进行补强支护，排距1000 mm，单体支柱初撑力≥100 kN，单体柱顶梁π型钢梁，长度为4000 mm。

具体81108工作面回风巷支护断面如图3。

图3 81108工作面回风巷支护优化断面图（mm）

3.2 效果分析

81008工作面回风巷采用优化后的支护方案后，在巷道掘进期间每间隔30 m布置一个巷道表面位移监测站，基于支护优化前后围岩变形特征，能够得知巷道在支护优化前后围岩变形的对比数据见表1。

表1 回风巷支护优化前后围岩变形数据表

分析表1可知，回风巷在采用优化支护方案后，巷道两帮煤岩体的变形速率和变形量均大幅降低，两帮移近量由原有支护下的517～691 mm降低为239～285 mm，两帮变形速率也由原有支护方案下的5.1～11.8 mm/d降低为3.7～4.8 mm/d。据此可知，巷道两帮增加锚索支护后，有效控制了沿空掘巷期间的两帮煤岩体的变形。另外从表2中能够看出，巷道采用支护优化方案后，顶板下沉量由98～173 mm降低为74～88 mm，底板鼓起量由240～522 mm降低为177～212 mm，降幅显著。

综合上述分析可知，回风巷采用支护优化方案后，巷道顶底板和两帮变形量均显著降低，提升了巷道围岩的稳定性，充分发挥了围岩顶帮协同支护效果。