E305工作面回风辅助巷过采空区围岩控制技术研究

汪大鹏

（山西长治羊头岭东掌煤业有限公司，山西 长治 047100）

1 工程地质

山西长治羊头岭东掌煤业有限公司矿井位于长治市长治县南17km处东掌村，行政区划属长治市长治县南宋乡管辖，该矿往北直距长治市29km，直距长治县城韩店17km。太焦铁路于井田西侧通过，最近的火车站为东田良车站，直距井田17km。交通四通八达，十分便利。现开采3号煤；南侧为高平仁家庄煤矿，已关闭。井田南北长约5.0km，东西宽约2.2km，井田面积 7.7617km2，开采标高：1110～760m。

东掌煤业有限公司E305工作面所采煤层属于下二叠统山西组下部的3号煤层，煤层赋存稳定，结构较为简单。煤层平均厚度4.93m，工作面埋深为153～251m，煤层伪顶为黑色泥岩，厚为0.1～1.0m；直接顶为灰黑色泥岩，厚约2.2m；老顶为浅灰色中粒泥岩，厚约15m；直接底为灰黑色泥岩，厚约1.2m；老底为深灰色砂质泥岩，厚约8.85m。E305工作面轨道顺槽长1299m，工作面倾斜长155m，工作面东为西掌煤业采空区；南为公共煤田，西为采区皮带巷，北为E305进风顺槽。巷道掘进过程中如遇小窑破坏区，则对掘进存在较大影响。E305工作面与周边巷道相对位置关系如图1所示。

图1 E305工作面回风顺槽位置关系图

由于煤层倾角较小，E305工作面运输顺槽设计断面为矩形，巷道净宽3800mm，净高2600mm。工作面采用走向长壁放顶煤采煤工艺，采用全部垮落法管理顶板。按回风辅助巷的原设计，巷道支护采用锚网索支护，但由于地质条件变化较大，煤柱尺寸较小，巷道过采空区支护困难，迫切需要对支护方式和支护参数进行优化。

2 E305工作面回风辅助巷掘进时不利条件分析

山西长治羊头岭东掌煤业有限公司正在掘进E305工作面回风辅助巷，巷道在掘进过程中会遇到采空区，局部冒顶严重，巷道顶板变形量大，围岩控制困难。通过现场实地考察和跟现场工作人员沟通可知，东掌煤业E305工作面回风辅助巷掘进时不利条件如下：

1）E305工作面回风辅助巷掘进时要经过破坏的采空区，采空区面积大，支护困难，出现冒顶现象严重。

2）E305工作面回风辅助巷沿着煤层顶板掘进，煤层顶板岩性为黑色泥岩，局部含炭质，厚约2.2m；老顶为浅灰色中粒泥岩。属于软弱岩性，加剧了围岩变形。

3）E305工作面回风辅助巷掘进时要经过采空区，没有选择合理的支护方式，临时支护不及时且锚杆、锚索支护强度不达标。

4）E305工作面回风辅助巷顶板和两帮锚杆出现网兜现象，顶板锚杆、锚索因为采空区影响，部分锚固失效。

3 E305工作面回风辅助巷过采空区段联合支护方案

3.1 巷道正常段支护参数

顶板设置5根锚杆，间距850mm，上下帮各4根锚杆，间距为800mm，锚杆排距800mm。对于过较大范围的采空区可缩小锚杆间排距，加强顶板支护，其具体支护参数为：

顶板使用专用锚杆钢材，即左旋无纵筋螺纹钢高强锚杆，杆体的屈服强度≥350MPa，锚杆直径为Ф20mm，长为2400mm，高强拱形托盘的尺寸为不低于150mm×150mm×10mm，螺母采用强度与杆体相匹配的高强螺母，为减小螺母和托盘之间的摩擦力，提高锚杆预紧力矩转化为托锚力的转换系数，螺母和托盘之间配有减摩垫圈；锚杆钻孔直径为28mm，采用2卷Z2360树脂锚固剂加长锚固，顶板辅助支护采用钢筋梯子梁配金属网，钢筋梯子梁是采用Ф12mm的钢筋焊接而成，长度为3800mm；金属网为菱形网，采用8#铅丝编制而成，网孔40mm×40mm，为保证顶板金属网与两帮金属网能组成一个整体，顶板金属网尺寸应大于顶板巷道宽度，即4000mm×900mm，其与两帮金属网可分别搭接100mm，其与巷道轴向其它相邻网也可搭接100mm，网网之间采用铁丝钮扣联结，扣扣相连，每扣铁丝至少拧3圈以上；锚杆螺母的安装预紧力矩≥200N·m。

顶板采用高强度低松弛钢绞线制作的锚索，钢绞线为7股，直径为Ф15.24mm，长度6300mm，锚索一排设置一根，排距为800mm，当掘进迎头空顶范围够800mm后，必须立即施工锚索。当顶板破碎时，巷道一排布置两根锚索，且两根锚索必须用20号槽钢梁连接，两侧锚索可向巷道外倾斜10o左右，锚索排距与锚杆相同，但必须与锚杆间隔布置，布置排距为800mm。为防止锚索受力不均，锚索锁具必须配有调心球垫。锚索采用加长锚固，端头用3卷Z2360树脂锚固剂，锚固长度1400mm左右，锚索的锚固端1400mm处可采用电焊焊接一个挡圈，以保证树脂锚固剂的充分搅拌和锚固。锚索托盘采用18＃槽钢制作，长400mm，配有150mm×150mm×10mm的钢垫及锁具，锚索预紧力≥200kN。

两帮使用专用锚杆钢材，即左旋无纵筋螺纹钢高强锚杆，杆体的屈服强度≥350Mpa，锚杆直径为Ф20mm，长为2000mm，高强拱形托盘的尺寸为不低于150mm×150mm×10mm，螺母采用强度与杆体相匹配的高强螺母，为减小螺母和托盘之间的摩擦力，提高锚杆预紧力矩转化为托锚力的转换系数，螺母和托盘之间配有减摩垫圈；锚杆钻孔直径为28mm，采用2卷Z2360树脂锚固剂加长锚固，顶板辅助支护采用钢筋梯子梁配金属网，钢筋梯子梁是采用Ф12mm的钢筋焊接而成，长度为2600mm；金属网为菱形网，采用8#铅丝编制而成，网孔40mm×40mm，为保证顶板金属网与两帮金属网能组成一个整体，两帮金属网尺寸应大于两帮巷道高度，即2800mm×900mm，其与顶板金属网可分别搭接100mm，其与巷道轴向其它相邻网也可搭接100mm，网网之间采用铁丝钮扣联结，扣扣相连，每扣铁丝至少拧3圈以上；锚杆螺母的安装预紧力矩≥150N·m。E305工作面回风辅助巷锚杆、锚索布置图如图2所示。

图2 E305工作面回风辅助巷锚杆、锚索布置图

3.2 高冒区注浆加固

E305工作面回风辅助巷高冒区采用长2500mm注浆锚杆超前注浆加固，沿着顶板打设，角度为30°，间距为1500mm,每排布置3根。通过对高冒区域注浆改善顶板破碎情况，使得顶板成整体。

3.3 对于较大范围的采空区支护

缩小锚杆间排距，加强顶板支护，巷内锚杆间排距不大于800mm，锚索间排距不大于800mm；在掘进巷道的两侧，需采用空心砖或者料石碹垒砌，并采用水泥砂浆封闭墙体表面，防止漏风。支护全部通过采空区后，需采用U型钢棚在巷内进行二次加强支护，实现主动支护与被动支护同时作用，确保采空区内布置的巷道顶板的稳定和安全。U型钢棚棚距不大于600mm。为保证U型钢拱顶能够尽量与巷道顶板接触紧密。

4 支护效果分析

4.1 测点的布置

为了检验东掌煤业E305工作面回风辅助巷过采空区围岩支护效果，在E305工作面回风辅助巷内选择有代表性的围岩。运用“十”字布点法布置观测点[10]，观测天数为30d，分别监测E305工作面回风辅助巷顶底板移近量和两帮移近量。

4.2 监测结果

图3为E305工作面回风辅助巷围岩变形监测图，从图中可以看出，E305工作面回风辅助巷围岩变形量在1～18d内巷道围岩顶底板移近量和两帮移近量增加明显，E305工作面回风辅助巷围岩在20d后围岩变形开始趋于稳定，顶底板移近量要大于两帮移近量。测站1顶底板移近量稳定在280mm，两帮移近量稳定在222mm。测站2顶底板移近量稳定在250mm，两帮移近量稳定在198mm。

表明东掌煤业E305工作面回风辅助巷过采空区段联合支护方案有效的控制了巷道围岩的大变形，保证巷道掘进安全快速的通过采空区。

图3 E305工作面回风辅助巷围岩变形监测图

5 结 论

1）针对东掌煤业E305工作面回风辅助巷过采空区时巷道围岩破碎，巷道支护困难的现状，采用现场调研的方法对工作面围岩地质情况进行调研和分析，得到必须采用复合支护方式的重要结论；

2）通过分析和总结，针对巷道所经过的不同的空巷和空区情况，提出了“锚网索+高冒区注浆+U型支架”联合支护技术，并在现场进行了工业性试验。

3）矿压监测效果表明，E305工作面回风辅助巷围岩在20d后围岩变形开始趋于稳定，巷道围岩变形量小，保证E305工作面回风辅助巷过采空区支护安全。

4）提出的过采空区和空巷的复合支护方法，能有效控制巷道过空巷和空区时的围岩变形量，保证了矿井安全生产，为类似相同条件矿井过采空区巷道支护起到参考作用。