复合顶板切顶卸压留巷围岩支护技术研究

时间：2024-07-28

郭洪雷陈茜杨景宏

（内蒙古东林煤炭有限公司，内蒙古锡林郭勒盟 013200）

1 工程概况

1.1 地质概况

E1301综采工作面走向长度720 m，倾斜长度172 m，开采的3#煤层为无烟煤，厚度1.88 m，倾角15°，赋存较稳定。本工作面内煤层无岩浆岩体、陷落柱。预计工作面内有3条冲刷变薄带，1#走向55°，2#走向142°，3#走向58°，受冲刷影响局部煤层变薄，对回采及煤质影响较大。

3#煤层上覆顶板为泥岩、砂质泥岩以及砂岩等构成的复合顶板，在E1301回风巷施工钻孔对顶板岩层进行探测，受钻孔塌孔影响钻孔施工深度仅为7.6 m，顶板探测钻孔揭露顶板岩层情况如图1所示。从图中看出，3#煤层顶板为典型的复合顶板，砂岩、泥岩等组合变化大；回风巷顶板上覆1.5 m范围内存在岩层破碎、离层情况明显；顶板上覆2～5 m范围内存在厚度变化较大的砂岩及砂质泥岩，该层岩层破坏状态直接影响回风巷切顶留巷效果。

图1 钻孔揭露顶板岩层情况

1.2 回风巷原支护设计

E1301回风巷断面为梯形，巷道净高×净宽=2.9 m×4.7 m，支护采用锚网索方式，具体支护断面如图2。

图2 巷道支护断面图（mm）

巷道顶板采用树脂锚杆（Ф20 mm×2200 mm）、树脂锚索（Ф15.24 mm×7500 mm）、钢筋梯（Ф20 mm圆钢焊接而成）、钢筋网（网孔80 mm×80 mm）组合支护，锚杆、锚索布置间排距分别为830 mm×830 mm、1600 mm×1600 mm。

巷帮采用树脂锚杆（Ф16 mm×1800 mm）、金属网（网孔100 mm×100 mm）组合支护，上帮锚杆、下帮锚杆间排距为900 mm×800 mm、800 mm×800 mm。

2 E1301回风巷支护方案

2.1 顶板补强加固方案

E1301回风巷顶板岩层补强支护措施包括有补强加固锚索、锚索梁，切顶补强恒阻锚索梁，具体各措施布置方案为[3-4]：

（1）补强加固锚索。在E1301回风巷原顶板支护基础上，补打锚索对顶板进行补强，补打锚索与原顶板支护锚索组成双排锚索；补打锚索布置在巷道中心线下侧1700 mm位置，补打锚索规格为Ф21.6 mm×7200 mm钢绞线。

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（2）补强加固锚索梁。在E1301回风巷补强加固使用的锚索梁平行于顶板钢带并与顶板补打锚索交叉布置，锚索梁位于相邻钢带中间，采用“一梁两索”布置。锚索规格为Ф21.6 mm×9200 mm钢绞线，锚索梁为眼距1400 mm、长1800 mm槽钢。

（3）切顶补强恒阻锚索梁。在巷道顶板距离切顶线300 mm位置布置一排恒阻锚索梁，锚索采用规格Ф21.6 mm×10 200 mm钢绞线，锚索梁为眼距800 mm、长度1200 mm槽钢。当顶板破碎时可适当缩小恒阻锚索布置间距。

巷道补强支护采用的锚索均使用4支MSZ2350锚固剂锚固，有效锚固长度2000 mm。锚固完成后使用MZ22-200张拉机施加给锚索200 kN以上预紧力。具体顶板补强加固设计如图3。

图3 顶板补强加固示意图（mm）

2.2 留巷段支护方案

根据E1301综采工作面开采情况，将采面划分为4个区段，超前采面前方20 m范围为超前支护区，采面后方120 m范围内滞后支护区，采面后方120～200 m范围内成巷待稳定区，采面后方200 m以外范围内成巷稳定区。

2.2.1 超前支护区支护

在回风巷超前采面20 m范围内受采动影响明显，需进行超前支护。虽然回风巷采用锚索、锚索梁以及恒阻锚索梁对回风巷进行支护，为确保采面回采安全，在超前支护段仍采用矿用工字钢（4 m长）、单体组成倾向棚支护顶板，架棚按照“一梁三柱”布置，棚距800 mm。

2.2.2 滞后支护区围岩控制

在采面后方0～120 m范围内属于滞后支护区，在该范围内受采空区顶板垮落影响，留巷段围岩变形控制难度较大。为此，在该范围内采用单体支柱以及工字钢（4 m）按照“一梁三柱”形式组成架棚对巷道顶板进行支护，并通过单体式液压支架对顶板进行补强，具体支护断面如图4。架棚间距设计为800 mm，顶梁工字钢端头与回风巷下帮间距200 mm，上帮单体支柱距离切顶线600 mm，下帮单体支柱距下帮800 mm，以便给风筒留下足够空间，中部支柱沿着巷道中线布置。单体式液压支架布置在距离切顶线1100 mm位置，并随着采面推进采用单轨吊向前搬移。

图4 滞后支护区围岩支护断面图（mm）

2.2.3 成巷待稳定区支护

在采面后方120～200 m范围为成巷待稳定区，在该范围可根据矿压显现情况以及回风巷变形情况对支护方案进行设计。当巷道围岩压力显现明显或者围岩变形量较大时，可保持原有滞后支护区支护参数不变；当矿压显现不明显且围岩变形量稳定后，则可间隔一棚回撤一棚，将架棚间距由800 mm增加至1600 mm。

2.2.4 成巷稳定区支护

在采面后方200 m以外范围内属于成巷稳定区，在该区域内可依据矿压以及围岩变形情况确定支护方案。当矿压不显现且围岩变形稳定时，则可回撤全部支护棚；当矿压显现不明显或者围岩变形逐渐趋稳时，则可对原支护架棚间隔一棚回撤一棚；当矿压仍有显现时，则保持原有架棚支护。

2.3 挡矸支护

在E1301回风巷留巷段全程由36U型钢柱、金属网（靠近巷道）、菱形纤维网（靠近采空区）组成挡矸支护。36U型钢柱间隔800 mm并布置在切顶线外50 mm处，每架36U型钢柱由2节U型钢组成，U型钢搭接长度控制在400 mm以上，在搭接处采用2道限位卡缆固定。

巷道最外侧靠近采空区处采用的菱形网为柔性纤维网，网片规格为3700 mm×1300 mm；靠近巷道侧布置的金属网采用8号镀锌铁丝编制而成。菱形网及金属网铺设到顶板上距离均超过200 mm。

2.4 顶板深孔定向爆破切顶

E1301回风巷顶板切缝钻孔深度可通过下述公式计算：

H缝= （H煤-△H1-△H2）/（K-1）（1）

式中：△H煤为工作面采厚，取1.88 m；△H1为顶板变形量，取40 mm；△H2为底鼓量，取20 mm；K为3#煤层顶板碎胀系数，取值1.25。带入公式（1）计算得到H缝=7.28 m。

3#煤层为复合顶板，考虑到顶板成缝率、岩层条件以及以往留巷经验，将顶板切缝高度设计为8.5 m。切顶采用双向聚能爆破预裂技术，切顶钻孔布置在巷道顶板距离上帮500 mm位置，钻孔倾角为13°、间距600 mm、钻孔孔径48 mm、孔深为8500 mm。切顶爆破时采用的双向聚能管内径、外径分别为36.5 mm、42 mm，聚能管长1500 m，在聚能管内4卷规格Ф35 mm×345 mm、重量400 g煤矿许用三级水胶炸药。

3 留巷段效果分析

在E1301回风巷采取切顶卸压等留巷支护方案后，为分析留巷段围岩支护效果，在回风巷开始留巷段即设置测点对围岩变形进行监测。从变形监测结果看出，E1301综采工作面正常回采速度保持在4.8 m/d，留巷段支护完成25 d即开始进入到成巷待稳定区，支护完成42 d即开始进入成巷稳定区。在巷道完成后23 d以内，围岩变形呈显著增加趋势，支护完成25 d后围岩变形量逐渐趋于稳定。在监测期间（55 d）顶底板、巷帮变形量峰值分别为103 mm、242 mm，留巷段断面可满足后续使用需要。