鲍店煤矿103下03工作面沿空掘巷支护技术研究与应用

朱 敬 曲延伦

（1.兖州煤业股份有限公司鲍店煤矿，山东省邹城市，273513；2.兖矿集团生产技术部，山东省邹城市，273500）

鲍店煤矿103下03工作面位于十采区北部，是十采区3下煤层第三个区段的工作面，东起103下03切眼，西至设计停采线，北邻回采完的103下02工作面，南与尚未开采的103下04工作面相邻（103上01、103上02、103上03、103上04、103下01、103下02工作面均已回采完毕）。该工作面上部为已回采完毕的103上03工作面。由于103下02工作面回采结束的时间较短，采空区处于压力未稳定期内，沿空掘巷势必受到动压影响，巷道会出现不同程度的破坏和变形，影响行人、运输和通风安全。例如103下02工作面沿空施工巷道时压力较大，至工作面回采时巷道缩进量已达到2.5m。为确保该巷道安全施工及有效地控制巷道变形，我们采取加强支护措施，其效果显著。

1 概述

山西组3下煤层，厚度3.00～3.47 m，平均3.26m，黑色，暗煤为主，夹镜煤及丝炭条带或薄层，性脆易碎，硬度f＝3.1；预计工作面内局部发育有硬质煤体，最大厚度1.6m。工作面内煤层产状变化较大，总体趋势为西高东低；工作面中西部较平缓；受兖州向斜影响，东部煤层倾角较大。十采区3下煤层与3上煤层之间的层间距平均厚约11.91m左右。该工作面范围内情况如下：

煤层伪顶不发育。

煤层直接顶为粉砂岩，厚度0.48～2.82 m，平均1.62 m，深灰色，致密较坚硬，泥质胶结，裂隙较发育，比较破碎，硬度f＝4～6。

煤层老顶为中砂岩、粉细砂岩互层，厚度6.35～12.50m，平均9.67m；中砂岩，灰白色，成分主要为石英长石，泥钙质胶结，坚硬致密，硬度f＝8～10；粉细砂岩互层，灰－灰白色，成分以石英长石为主，含少量黑色矿物，斜层理和波状层理发育，硬度f＝8。

煤层直接底为粉砂岩，厚度0.15～3.11 m，平均1.01m，深灰色，主要成分为石英，次之为长石，泥质胶结，致密坚硬，硬度f＝4～6，富含植物根部化石。

煤层老底为粉细砂岩互层，厚度11.48～13.17m，平均12.20 m，灰色，以细砂岩为主，夹粉砂岩条带，水平层理发育，泥钙质胶结，成分以石英长石为主，致密坚硬，硬度f＝6～8。

回采完的103下02工作面，位于103上02工作面下方，工作面轨道巷沿103下01采空区施工，受其动压影响，自掘进开始巷道即开始变形，直至回采时变形量已经达到2.5m，严重影响巷道的通风、行人及运输。巷道支护采用锚网锚索支护，锚索仅在顶板布置，每隔一排在巷道中部位置施工一根锚索，帮部各施工4根锚杆。鉴于103下02工作面沿空巷道施工的情况，我们必须改变原有的支护方案，进一步加强顶板及两帮支护强度，以有效地控制巷道变形量。为加强103下03沿空侧轨道巷围岩的支承能力和支护强度，初步拟定支护方案为：两帮均施工锚索，且沿空侧帮补施工注浆锚索，顶部加密锚索施工密度。

2 支护方案及参数

2.1 支护方案

初期，103下03轨道巷顶部施工6根锚杆，两帮各施工4根锚杆，顶部锚杆间排距为800mm×900 mm，不布置锚索时为800（400）mm×900mm（±50 mm），布置锚索时为沿空侧800（1200）mm×900 mm、非沿空侧800（400、1600）mm×900mm。为加强103下03轨道巷帮部支护，施工至103下02工作面停采线位置后施工帮部锚索。沿空侧帮部每隔2排施工1根3.5m长锚索，排距为2700mm，锚索布置在帮部肩窝下第1根锚杆位置，用锚索代替锚杆加强支护，与水平方向成25°仰角；帮部肩窝下第4根锚杆选用直径22 mm、长度2000mm的等强度螺纹钢锚杆，与水平方向成30°俯角。非沿空侧帮部（南帮），每隔2排施工2根5m长锚索，水平布置，间排距为1200 mm×2700mm，第1根锚索布置在帮部肩窝下第1根锚杆与第2根锚杆中间位置，第2根锚索布置在帮部肩窝下第3根锚杆位置，用锚索代替锚杆加强支护。巷道支护断面见图1。

掘进工作面推进100m后，再对后部巷道沿空帮部采用新型注浆锚索支护，长度2500 mm，锚索间排距1200mm×1500mm，在两排锚杆之间施工，并及时注浆。帮部支护示意图见图2。

2.2 支护材料

（1）锚杆。顶部采用杆体型号为MSGLW—500、规格为MLⅣ22／2400Q／YZK 031型锚杆进行锚固。两帮采用杆体型号为MSGLW—500、规格为MLⅣ20／2000Q／YZK 031型锚杆进行锚固（103下03轨道巷北帮肩窝下第4根锚杆采用杆体型号为MSGLW—500、规格为MLⅣ22／2000Q／YZK 031型锚杆进行锚固）。

（2）托盘。托盘规格尺寸不小于100 mm×100mm×10mm，其承载力应不小于杆体屈服载荷。

（3）顶部钢带。顶部布置GDⅡT 140／20Q／YZK 034钢带，钢带垂直中心线，为增加锚杆孔处的强度，锚杆另加托盘。

（4）金属网。采用LW 40／3－S Z－1×7.5（3）Q／YZK 037菱形网。顶部满背，两帮铺至帮部最下一根锚杆。金属网搭接不少于50mm，搭接牢固，每隔150mm（±50mm）联一扣，每扣拧够3圈，扣扣相连，无网兜。

（5）钢筋梯。103下03轨道巷帮部布置GT 12／3300Q／YZK 035钢筋梯，两帮呈“︱”字型布置，加工材质采用ø 12mm的钢筋加工，连接压茬牢固，紧贴壁面。

图1 巷道支护断面图

图2 帮部支护示意图

（6）锚索。顶部采用杆体型号为SKP 22－1／1700、规格为S K 22／5－1700Q／YZK 078锚索，帮部采用杆体型号为SKP 22－1／1700、规格为S K 22／5（3.5）－1700Q／YZK 078锚索。如地质情况出现变化，要根据现场情况调整锚索长度。5m长锚索锚固端采用2卷型号为MSCK 25／60Q／YZK 033树脂锚固剂进行锚固，3.5m长锚索锚固端采用1卷型号为MSCK 25／60Q／YZK 033树脂锚固剂进行锚固。锚索用的托盘为矩形，采用Q 235 A、抗拉强度375MP a及其以上、厚度为20 mm的普通碳素钢板加工，托盘中心孔直径比钢绞线直径应大2mm，规格为220mm×220mm。无论采用何种形式和材料的托盘，其承载力应与锚索极限载荷相匹配。

沿空帮部注浆锚索，采用ø 22mm×2500mm、螺旋肋钢丝树脂端锚螺旋锁紧中空注浆锚索，强度级别为1860MP a，单股破断载荷不低于250k N。

3 注浆锚索应用机理

围岩使用注浆锚索加固是一种改善围岩结构及其力学性质、提高围岩自撑能力、降低支护成本、缓解巷道顶帮及底板压力、改善巷道支护效果进行超前支护的有效方法。新型注浆锚索应用机理有：

（1）水泥浆液把围岩和各种弱面充实，并把弱面和四周岩体重新胶结起来。

（2）注浆锚索先用专用锚索搅拌头，进行锚索端锚，然后采用注浆实现全长锚固，将其锚固范围内的岩层用双股高强度笼形注浆端锚锚索加固并施加一定预应力，在锚索的压应力作用下，其锚固范围内的岩层产生压缩，使其形成一整体，具有悬吊、挤压、组合梁等作用，从而提高围岩的整体稳定性及其力学性能，增强巷道抗动压变形的系数。

（3）支护高度增大，有效缓解巷道顶板压力，使顶板应力向巷道周围分解，有效减少巷道顶部压力。

（4）注浆锚索配合加强钢筋梯和金属网，使巷道成牢固的整体，避免因变形掉落矸石伤人。

4 注浆材料、设备和施工工艺

4.1 注浆材料

水泥浆采用普通R 32.5硅酸盐水泥，每袋50 kg，注浆添加剂为ACZ－Ⅰ，其配比为水∶水泥∶添加剂＝1∶（2～3）∶（0.16～0.24）。开动搅拌机，先将清水加入到拌料桶内，再按比例加入水泥，水泥要粗筛去除杂质，混合搅拌均匀，搅拌时间不少于5m in，再按比例加入ACZ－Ⅰ注浆添加剂。浆液应混合均匀，无团块，应特别注意桶角和边上的材料，浆液不应过稠。搅拌均匀并使水泥呈浆状后即可注浆。封孔材料采用细棉纱和快硬水泥，封堵长度不小于200mm。

4.2 注浆设备

采用Q B Z 20／7.0型气动便携式注浆泵对注浆锚索进行注浆，主要技术参数如下：

气源压力：0.5～0.63MP a；气缸直径：ø 250mm；输出压力：6MP a；出浆量：50L／m in；耗气量：42m3／h；重量：130kg。

水泥浆搅拌机采用D L 208型风动搅拌设备。

4.3 施工工艺

注浆锚索施工工艺为：打眼→安装固定锚索→压梯子网挂网→上托盘、紧固锚索→封孔→注浆。

5 注浆锚索加固效果观测

施工过程中，巷道受未稳定区动压影响，顶帮出现轻微开裂。根据矿压观测资料（见表1），注浆后巷道帮顶位移最大处1.6 m，一般为0.7～0.9m，没有出现大的冒顶片帮现象，保证了工作面顺利通过。工作面通过时巷道帮顶位移量较103下02面显著减少，有效减少了巷道维修工程量，加强了帮顶的支护强度，取得了良好的支护效果。

表1 103下03轨道巷测点观测情况 mm

从表1可以看出，巷道顶、底板变形量较小，在10个测点中只有1处顶板下沉较多。巷道宽度普遍出现变形，达到1.6m的只有1处，其余均小于1.0m。从整体情况看，该巷道采取强化支护措施后效果显著，较103下02沿空巷道变形量缩减了60%。

6 经济和社会效益

每米巷道注浆锚索加固的材料费用包括高强度锚索、注浆管、水泥、添加剂等，共计423.5元；每米巷道架棚支护的材料费用包括U型棚、坑木等，共计1498.6元。采用注浆锚索加固比金属支架架棚，每米可节约支护材料费用1075.1元。

同时，减少了巷道修复量，避免了巷道损坏而造成的损失，保证工作面正常通风需求，保证矿井安全生产接续，其效益不可估量。

与传统架棚支护相比，施工方法简单、快速，减轻了工人的劳动强度，减少了辅助运输量，提高了安全可靠程度，效益显著。注浆锚索施工设备轻便，施工工艺简单，便于掌握，具有广阔的推广前景。

注浆锚索是一种适应破碎带、裂隙发育区及沿空煤岩柱的有效加固方式，为巷道的有效利用奠定了基础，并为沿空巷道支护提供了一条新的有效途径。

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