8103工作面回风巷沿空掘巷耦合均让压支护应用

时间：2024-07-28

于敏

（晋能控股煤业集团同发东周窑煤业有限公司，山西大同 037000）

8103工作面回风巷采用小煤柱沿空掘巷，煤柱宽度为6 m，在原支护设计时，巷道压力显现明显，巷道变形严重。通过支护优化设计，并在掘进期间通过矿压综合监测，巷道变形得到有效控制[1]。

1 概况

同发东周窑矿山4#层8103综放工作面地面标高1409～1453 m，井下标高907～939 m，盖山厚度为502～514 m。8103工作面开采二叠系下统山西组4#煤层，北部为山4#层一盘区三条采区巷道，西部为山4#层一盘区8102工作面采空区，5103巷与8102工作面2102巷间隔6 m保护煤柱，南部及东部均为实煤区，如图1。4#煤层总厚度4.12～10.3 m，平均7.21 m，纯煤厚度为6.63 m，煤层结构复杂，煤层倾角0°～10°，平均5°。根据工作面周边地质钻孔柱状图和5103回风巷揭露综合分析，山4#煤层含夹矸2～4层，最大为2.4 m，最小为0.4 m，岩性多为砂质泥岩、炭质泥岩、泥岩、煌斑岩。煤层基本顶为细粒砂岩，厚度为21.6～36.1 m，平均28.81 m，中夹薄层细砂岩；直接顶为炭质泥岩，厚度为0.3～3.9 m，平均2.61 m，泥质结构，块状构造，局部火成岩侵入；直接底为粉砂岩，厚度为4.1～8.9 m，平均6.5 m，深灰色-灰黑色，巨厚层状，水平层理发育；基本底为中砂岩含砾粗砂岩，厚度45.1～53.1 m，平均49.1 m，巨厚层状。

图1 8103工作面布置图

根据邻面8102面回采期间揭露以及钻孔煤层结构看，该工作面局部地区有煌斑岩侵入。断层附近围岩破碎，对掘进造成一定的影响，在掘进过程中应加强巷道顶板支护。该区域煌斑岩侵入煤层，煌斑岩厚度不稳定，需加强对煤层厚度探测，确保巷道沿煤层底板掘进。

2 8103工作面回风巷原支护方案

2.1 原支护设计方案

8103回风巷巷道支护如图2。顶板支护以锚索为主要支护形式，加以金属网辅助维护顶板，具体支护参数见表1。

图2 8103工作面回风巷原支护设计示意图（mm）

表1 回风巷原支护参数

其中两根靠近煤帮的锚索与顶板的夹角为70°～80°，锚索与煤帮间的距离为0.2 m，其余四根锚索均与顶板保持垂直，两帮的锚索托盘长边与巷道走向保持一致，其余锚索托盘布置方式则为纵横交替。

帮部支护以锚杆、锚索为主要支护形式，加以金属网辅助维护两帮煤墙，帮部支护排距为0.9 m，锚索直径为17.8 mm，长度为4300 mm；锚杆直径为18 mm，长度为2400 mm，三根锚索、锚杆的间距依次为0.6 m、0.8 m、0.9 m，托板均纵向布置。

2.2 原支护方案矿压显现情况

8103回风巷巷道已掘进300 m，受临近8102工作面回采后的动压影响，统计8103回风巷变形段的情况，发现8103回风巷整体变形较为显著，巷道掘进期间，由于围岩松软严重，片帮冒顶频繁，井下煤炮频繁。为改善相关状况，在掘进前超前布孔注浆，对压力大的地段采取了用9.3 m的锚索进行补强。巷道支护成本较高，但效果一般。

3 回风巷支护优化后设计方案

3.1 耦合均让压支护设计

根据弹塑性力学理论和现场经验，巷道开挖后在巷道围岩将产生松散区、塑性变形区和弹性区。支护系统将经受围岩的变形过程并在该过程中承载，支护体的受力大小和允许围岩变形关系密切，容许变形过大或过小，均会影响巷道围岩的稳定性。根据弹塑性理论，围岩变形和应力关系如下：

式中：pa为围岩应力（支护阻力），MPa；ur0为围岩表面位移，mm；r0为巷道等效区半径，m；c为岩石内聚力，MPa；σz为和采深成正比的垂直应力，MPa；μ为泊松比，取0.5；E为塑性区平均变形模量，取1.96×104MPa；φ为岩石内摩擦角，（°）。

根据矿井煤层物理力学特征和采矿条件，在上述公式的基础上做出围岩表面位移和支护阻力特性曲线，如图3。

图3 围岩表面位移和支护阻力特性曲线

在采深较大的情况下，必须让围岩在一定程度内发生变形，在巷道支护系统内支护变形和支护阻力必须和围岩的变形形成耦合。固在大采深条件下必须采用适当的耦合让均压手段。

3.2 正常地段8103回风巷锚杆支护初始设计

（1）顶板支护

锚索具体参数：锚索的安装应力大于16 t；锚索直径21.8 mm；采用19股预应力钢绞线；配件为锚具、球垫圈、26-30TB让压管；托盘280 mm×270 mm×14 mm高强可调心拱形锚索托板，与JM锚索梁配套使用；锚索布置为每排6根，锚索排距为1000 mm，间距1000 mm；每套锚索采用2支锚固剂，一支MSCK2360，一支MSZ2360，锚固长度1486 mm；锚索方向全部垂直于顶板。

JM6高强型锚索梁厚度为6 mm，每米质量为18.7 kg，每米护顶面积2.5×105mm2，抗弯截面模量8781 mm3，最大承载能力（2000 mm间排距）1575 kg[2-3]。

（2）巷帮支护

锚索具体参数：锚索的安装应力大于10～12 t；锚索直径17.8 mm；锚索为7股预应力钢绞线；配件为索具、球垫圈、21-5T让压管；托盘300 mm×300 mm×12 mm 高强JM托盘；锚索布置两帮各3根，锚索排距为1100 mm，间距900 mm，上部锚索距顶板距离为400 mm。

锚固剂：每套锚索采用1支，一支MSZ23120。

钻头直径：28 mm。

8103回风巷锚杆锚索支护布置如图4[4]。

图4 8103工作面回风巷优化支护设计示意图（mm）

3.3 巷道矿压监测结果

在8103回风巷中设置了2个综合监测测站，1#和2#测站巷道矿压综合监测测站分别位于8103回风巷道顶板新支护第75排钢带和第127排钢带处，每个测站包括巷道表面位移量测点、顶板离层仪和锚杆锚索受力监测[5]（锚索测力计编号说明：顶锚索从左到右依次标号，帮锚索从上到下依次标号）。如图5～图7。

图5 1#测站巷道表面位移监测曲线

图6 1#测站顶锚索受力监测曲线

图7 1#测站帮锚索受力监测曲线

对1#测站巷道表面位移的监测得出：1#测站巷道顶板的最大下沉量为14 mm，顶板变形量占据巷道高度的比例很小；左帮最大变形量为32 mm，两帮最大移近量为64 mm，两帮变形整体也很小。从顶锚索受力图可以看出，1#测站顶锚索受力较稳定，从现场看顶板整体平整，说明顶板受力较稳定，支护效果较好。从帮锚索受力图可以看出，帮锚索整体受力较稳定，从现场看两帮煤壁没有较大挤出和出现网兜等情况，支护效果较好。通过锚索受力情况发现，8103回风巷两帮受力主要集中在中部锚索上。