某矿急倾斜煤层综放面回采巷道支护优化

裴亚川

（山西汾西矿业集团南关煤业， 山西 灵石 031300）

引言

以回采巷道的矿压观测为切入点，总结分析巷道矿压规律，研究巷道围岩失稳特征。对回采巷道的锚喷支护参数进行优化设计，鉴于巷道变形不对称、围压不对称、长期变形具有流变性，提出了一套喷、锚杆、锚网多种支护手段联合支护技术，综合控制[1-3]。

1 工程概况及支护形式

1.1 地质概况

井田共有煤32层，由老到新编号为B1—B32。根据地质勘探并沿用至今的划分方法，按煤层赋存特征分为四组，其中，一组煤为B1—B2，二组煤为B3—B6，一、二组煤位于在西山窑组的下段，为两组特厚煤层，三、四组煤位于西山窑组的上段，以中厚煤层为主。

1.2 煤层稳定性

井田范围内可采与局部可采的煤层共32层，其中 B1—B17，B30—B32 为 稳 定 煤 层 ，B18、B19，B21—B25、B26—B29为不稳定煤层，B20为较稳定煤层。

1）B1+B2煤层。位于J2X的底部，+660水平以上已采完。煤层平均厚度37.45 m，含夹矸4～8层，夹矸单层厚0.06～2.43 m。直接顶为粉砂岩及砂质泥岩，直接底为粉砂岩。

2）B3—B6煤层。B3—B6煤层位于B1+B2煤层北部，与B1—B2煤层相距110 m，平均厚度48.87 m。内含夹矸4～12层，夹矸总厚0.08～2.80 m。直接顶为粉砂岩，直接底亦为粉砂岩。

1.3 回采巷道现有支护形式

某矿+590B3+6巷道，由于是急斜煤层，顶底板对顺槽高度没有影响，只要能够满足工作需要即可。工作面采高2.6 m，顺槽高度设计为2.8 m，顺槽宽度设计为3.2 m。

根据井田韧性高、节理裂隙不发育的特点，结合相邻巷道支护设计，确定巷道以锚杆支护为主、锚网支护为辅的巷道支护形式。

1）顶板完好情况下采用锚杆联合支护，采用Φ16 mm×1 800 mm锚杆，锚固长度300 mm，钻孔直径为28 mm，配套12 mm×8 mm托盘，锚杆间排距1 000 mm×800 mm。

2）顶板破碎时采取锚网支护或锚网钢带支护形式。网片规格为7.5 m×1 m，网孔40 mm×40 mm，10号铁丝。钢筋托梁宽度60 mm、长5.4 m，由Φ12 mm的圆钢焊接而成。

2 回采巷道矿压观测及矿压分析

2.1 矿压监测方案

在+590水平B6巷布置3个观测站，各观测站相距100 m，内容及布置如图1所示。

图1 B6巷道监测站布置图

2.2 巷道围岩表面位移

下面以+590水平B6巷为例分析巷道表面变形规律。

2.2.1 一号测站表面位移数据分析

一号测站距表面位移测点于2015年6月8日安装，其间共监测7次，分析数据并绘制顶板下沉量与两帮移近量的曲线如下页表1、图2。

由下页图2可知：

1）巷道围岩变形以两帮位移量为主，两帮移进量是顶底板移进量的2倍。表明巷道变形中，两帮占主要部分，应加强对两帮变形的控制。出现这样的现象，主要是由于该巷道处于急倾斜煤层中，巷道上部为采空区，顶板对巷道的压力主要沿倾水平方向，垂直方向作用较少。

表1 一号测站表面位移监测数据

图2 一号处测站表面位移-时间曲线

2）B6巷1号测点处，由于对煤层进行了注水软化，在监测18天左右，淋水增大，顶板下沉量增大，且伴随大范围裂隙发育，经过及时进行工棚支护顶板下沉得到控制。

2.2.2 二号测站表面位移数据分析

距一号测点100 m处的二号测站于6月8日安装，到7月20日监测完毕，表面位移检测数据如表2所示。

表2 二号测站表面位移监测数据

2.2.3 三号测站表面位移数据分析

距二号测点100 m处的3号测点于6月8日安装，到7月20日监测完毕，表面位移监测数据如表3所示。

2.4 观测结果综合分析

通过对原锚杆支护方案进行观测分析可知：

表3 三号测站表面位移监测数据

1）顶板平均日移进量最大下沉量达到4.53 mm，最小为1.73 mm。两帮平均日移近量最大9.32 mm，最小为6.01 mm。原支护方案对顶板支护整体效果良好，两帮支护效果较差。

2）两帮的离层出现在1.6 m的范围内，在进入测孔时，孔壁裂隙明显，多为横向和纵向的交叉裂隙，表明两帮较破碎。顶板离层为0.7 m，从钻孔窥视仪中可以看到孔壁整体较为平滑，表明顶板保持较好。以前的支护方案对顶板保护好，两帮较差。

3）锚索最大受力为80.5 kN，远大于顶锚杆的22.7 kN，锚索顶板支护起主要作用。帮锚杆受力为42.5 kN，接近锚杆的最大锚固力50 kN，应考虑加长帮锚杆长度以及加强锚固力，同时增加木托板进行加固[4]。

3 基于信息反馈后的优化设计

鉴于B6巷的两帮位移较大，顶板位移在检测的后期已经趋于稳定，位移较大的地方已经采取措施。本次设计主要针对两帮，设计的方法为松动圈锚杆支护设计方法，对于顶板，应适当减小锚索的间排距。

3.1 帮锚杆支护参数设计

依据现场反馈的结果，确定围岩松动圈的大小Lp=160 mm＞150 mm，属于大松动圈，应采用组合拱理论进行锚杆参数设计。

锚杆长度：式中：L1为锚杆锚固长度，取0.4 m；L2为所测松动圈值，取1.6 m；L3为锚杆外露长度，取0.1 m。

将数值代入公式得L=2.1 m。从现场实际出发，取2.5 m。

故帮锚杆选取Φ20 mm×2 500 mm II级左旋螺纹钢锚杆，锚杆间排距800 mm×800 mm，锚固长度为0.78 m，锚固力为50 kN。

组合拱的厚度依据公式可得组合拱的厚度：

式中：D为排距，取0.8 m。

将数值代入公式得b=0.8 m。

3.2 柔性混凝土喷层支护

为了改善围岩表面性质，提高承载能力，减弱顶板滴水和淋水现象，防止风化，在巷道围岩表面喷射一层混凝土，但由于巷道的变形较大，为了防止喷层开裂，应在喷层材料中加入聚丙烯纤维，以提高混凝土的残余强度和韧性。

喷射混凝土厚度以20～30 mm为宜。喷射混凝土为全断面喷射，强度质量为C20，一次喷全厚。混凝土的配比：m（水泥）：m（砂）：m（石子）=1∶2∶2；水灰质量比为0.45，水泥为普通硅酸盐水泥，在其中加入聚丙烯纤维。

4 效果分析

通过对表面位移、顶板离层监测及锚杆（索）受力监测，对现有的锚杆支护方案得出以下反馈信息。

1）从表面上看，片帮和两帮的变形明显的减少，再没有出现锚杆失效的现象。

2）顶板平均日移进量最大，下沉量最大为0.73 mm，两帮平均日移近量最大为1.32 mm，在后期观测中，定板和两帮的移近量趋于稳定，因此支护方案对顶板和两帮支护整体效果良好，到达了预期效果。

3）在进入两帮测孔时，虽孔壁裂隙明显，多为横向和纵向的交叉裂隙，但较之以前裂隙几乎没有增加，表明两帮的变形得到控制。从钻孔窥视仪中观测顶孔，可以看到孔壁整体较为平滑，表明顶板保持较好，现有支护方案对顶板保护好。

4）在增加锚索的间排距和锚杆长度后，锚索最大受力降为60.5 kN，帮锚杆受力为20.5 kN，小于最大锚固力50 kN，即改进的支护方案可行[5]。

5 结论

1）顶板平均日移近量最大下沉量达到4.53 mm，最小为1.73 mm。两帮平均日移近量最大9.32 mm，最小为6.01 mm。原支护方案对顶板支护整体效果良好，两帮支护效果较差。两帮的离层出现在1.6 m的范围内，在进入测孔时，孔壁裂隙明显，多为横向和纵向的交叉裂隙，表明两帮较破碎。顶板离层为0.7 m，从钻孔窥视仪中可以看到孔壁整体较为平滑，表明顶板保持较好。锚索最大受力为80.5 kN，远大于顶锚杆的22.7 kN，锚索顶板支护起主要作用。帮锚杆受力为42.5kN，接近锚杆的最大锚固力50kN，应考虑加长帮锚杆长度以及加强锚固力，同时增加木托板进行加固。

2）巷道变形不对称，巷道两帮的移近量大于顶底板移近量，两帮的移近量是顶底板移进量的2倍，巷道的变形主要来自两帮，其次是顶底板。围压压力不对称。巷道顶板和帮部锚杆锚托力呈现不均匀现象，表现为两帮大于顶板。巷道的长期变形具有流变性，随着时间的推移，巷道围岩裂隙由小变大，形成导水裂隙，水侵入围岩后，围岩遇水产生物理化学作用，强度降低、软化，使得巷道的变形逐渐增加。同时，水对锚杆树脂药卷和锚杆螺纹杆体都有弱化作用。

3）主要进行帮锚杆的优化设计，选取Φ20 mm×2 500 mmII级左旋螺纹钢锚杆，锚杆长度2.5 m，锚杆间排距800 mm×800 mm，锚固力为50 kN。为了改善围岩表面性质，提高承载能力，减弱顶板滴水和淋水现象，防止风化，在巷道围岩表面喷射一层混凝土，但由于巷道的变形较大，为了防止喷层开裂，应在喷层材料中加入聚丙烯纤维，以提高混凝土的残余强度和韧性。