11309工作面顺槽支护方案优化及效果分析

白艳飞

（晋能控股煤业集团泰山隆安煤矿，山西 保德 036600）

为确保巷道围岩支护可靠，支护设计要充分结合煤层顶底板围岩特性和地质条件，选择合理的掘进层位，控制好层间距，依靠坚固性较好的巷道支护，从而减少人工材料的投入，确保作业环境和支护强度的安全可靠[1-2]。钻孔窥视可以在井巷工程施工中直观、清晰地观察锚杆、锚索眼壁的围岩情况，对于孔内的裂隙发育、岩石破碎、煤层情况等能够进行直观判断与评价，从而为巷道支护设计提供现场依据，具有较高的实践应用价值。

1 概况

泰山隆安煤矿11309工作面位于11#煤三采区中部，工作面东部为实体煤，西部为井田边界及保德煤矿，北部为11#煤南翼主要回风大巷，向南掘进范围内为实体煤。工作面沿走向布置，设计长度1325 m，切眼设计长度为240 m，布置有11309运输顺槽、回风顺槽，外段布置有一条回撤联络巷，为工作面采闭后回撤支架服务。工作面主采煤层为11#煤，上下两巷沿煤层底板掘进，与东部11307备采工作面留设有30 m宽保护煤柱。11309工作面位置关系平面示意图如图1。

图1 11309工作面位置关系平面示意图

工作面11#煤层厚度为1.4～2 m，均煤1.6 m，呈块状，局部含有夹矸。煤层直接顶为泥岩，局部伪顶为炭质泥岩，呈深灰色，岩层厚度为1.8 m；基本顶为粗粒砂岩，厚度在3.5～4 m间，呈灰色-灰白色，层理明显，结构稳定。直接底为砂质泥岩、粗粒砂岩，厚度为4.6 m；基本底为粗砂岩，均厚10.3 m。根据工作面周边已探查的地勘钻孔，对该工作面岩石力学特征进行实验室分析，测得力学特征主要参数见表1。

表1 11309工作面主要岩石力学参数

2 钻孔窥视分析

为准确掌握巷道周边围岩裂隙发育情况，根据现有巷道位置关系及支护变形情况，在11309工作面回撤通道与运输顺槽共布置6个测点进行钻孔窥视。窥视位置示意图如图2。

图2 窥视位置示意图（m）

为直观了解锚杆、锚索周边围岩不同孔深裂隙发育情况、应力集中情况及受力特征等信息，以回撤联络巷和运输顺槽交叉口的Ⅰ号测点为例分析，选用8 m长锚索进行锚固，对巷道顶板和巷帮均布置探孔观测，利用窥视仪探管对钻孔内煤岩层和裂隙情况进行观察，从而对方案进行优化，提高支护强度。钻孔窥视效果图如图3。

图3 钻孔窥视效果图

根据钻孔窥视结果显示：在开孔至里段4.8 m为煤层，在5～8 m段为砂质泥岩，开孔向里1.61 m处孔壁显示存在一条明显的纵向裂隙，深入探管至2.6 m处孔壁出现不均匀、不规则横向环状裂隙，呈现出挤压破碎状态，2.85 m处出现两条纵向裂隙，且孔壁破碎，直到孔深4.8 m过煤段后，孔壁趋于均匀规则，但孔径明显变小，说明该段受力较大，处于应力集中区域，造成钻孔缩径，7.16 m到8 m终孔段，孔径均一，无裂隙发育，岩层分布较平缓，说明处于弱应力区，钻孔成型较好。

3 支护设计优化及效果分析

3.1 优化支护设计

煤矿巷道顶板支护中，常采用锚杆锚索+金属网复合支护方式对顶板进行加固，通过均匀打设锚杆、锚索对顶帮围岩起到耦合支护作用，而且规则的间排距布置，能够有效分解围岩应力，使得集中应力得到分散，从而减轻作用在巷道顶帮的应力，减缓移近量和巷道变形[3-4]。

通过对6个测点的窥视图可以分析得出结论，在钻孔内2～5 m区段由于受到裂隙发育影响，孔内岩性较破碎，处于岩石强度弱化区，造成应力较为集中；5～8 m区段，岩层分布较为稳定，岩石自然强度较高，围岩应力相对较弱。因此，根据钻孔内窥的煤岩层性质及规律进行支护方式设计优化如下：原有旧支护方式采用左旋螺纹钢锚杆，由于螺纹长度的限制，导致锚杆锚固位置处于岩层破碎带，导致锚固失效。在此基础上，优化方案选用高强度右旋螺纹钢锚杆进行支护，且锚杆、锚索支护参数进行调整，将原有锚索设计间排距1600 mm×2000 mm，减少为1400 mm×2000 mm，锚索长度由6300 mm调整为8200 mm；将原有的左旋锚杆调整为多种规格锚杆分区布置，即顶板锚杆选用Φ22 mm×2500 mm左旋锚杆，而帮部支护选用Φ20 mm×2000 mm右旋全螺纹锚杆，顶帮锚杆间排距分别为1100 mm×1000 mm、1000 mm×1000 mm。优化后的支护设计图如图4。

图4 优化后支护设计图（mm）

3.2 效果分析

为观测优化后的支护方案设计效果，在6个钻孔窥视仪观测点中打设的锚杆顶端加装液压枕，用于实时采集锚杆承压后的受力变化情况。经过数据对比分析发现，在打设锚杆后10 d内，锚杆受力变化波动较明显，处于应力重新分布叠加时段。当锚杆发挥作用，应力分布趋于平衡之后，受力不再产生变动。以其中1#、2#、3#三个测点为例，1#测点在第3天应力达到峰值2.1 MPa，之后处于波动期，直到第13天稳定在1.6 MPa左右；2#测点在第5天应力达到峰值1.7 MPa，之后应力处于动态平衡状态，基本稳定在1.5 MPa左右；3#测点在第4天应力达到峰值4.3 MPa，之后下降稳定在3.3 MPa左右。说明在打设锚杆之后支护稳定强度与应力峰值之间变化不大，虽然略有下降，但能够处于动态平衡之中，维持良好的支护效果，减少围岩的变形量。优化设计后支护强度动态曲线图如图5。

图5 优化设计后支护强度动态曲线图

除对锚杆支护强度分析外，对于优化设计后顶板移近量做出数据分析。通过预设光纤顶板离层仪在线监测系统采集数据，分别对222测点和226测点的多个采集通道数据分析。将采集器布置在孔深7 m和3 m处，每个测站可通过四个通道传输数据。经过比对发现，在初期观测的前10 d顶板下沉移近量变化较大，在巷道掘进过后的25 d后，两处测点的移近量再次增大，而且增速加快，说明在第10天后顶板相对稳定，移近量较小，支护效果起到作用，而当周期来压出现时，顶底板移近量加快。优化设计后顶板移近量变化如图6。

图6 优化设计后顶板移近量变化曲线图

4 结论

（1）巷道在采掘活动过程中容易导致周边围岩原有应力受到扰动影响，打破力学平衡，造成巷道支护变形加快、出现顶板下沉和憋帮现象，尤其是在出现围岩裂隙发育区域，原岩的支撑应力减弱，导致巷道变形增大。

（2）利用钻孔窥视技术分区段对围岩进行内窥分析，及时发现破碎和裂隙区域，有针对性地选择锚杆支护打设深度，调整锚固岩层层位，从而提升原岩和支护复合作用效果，提高支护强度，减少巷道变形量，便于优化支护设计。

（3）在支护方案优化后，设置测站采集数据，从不同方面采集参数，验证优化后的支护效果，经过数据反馈分析，进一步调整支护方式，提高支护强度，延长巷道服务年限。