浅埋近距离老空区下复合顶板支护方案及工艺优化

袁文生 陈文晨 牛 群

(内蒙古福城矿业有限公司,内蒙古 鄂尔多斯 014217)

1 概述

1301N工作面埋深200m，回采3下煤，上部为3上煤采空区，平均层间距1.15m。对比乌海、汾西等类似条件矿井极近距离煤层回采巷道支护参数，1301N工作面巷道前期提出采用锚带网+架棚支护，通过现场试验及矿压观测发现参数较为保守，为了提高掘进效率、降低支护成本，后期在1301N工作面回风巷采用巷道锚带网+锚索桁架梁支护[1]，实现了1301N工作面顺槽高效、经济、安全施工。

2 巷道支护设计

2.1 初始巷道支护方式

（1）巷道断面

1301N回风巷采用锚带网+架棚支护顶板，梯形断面。巷道断面：净宽×中净高=3.0m×3.0m，S荒=9.92m2，S净=9.0m2。

1301N运输巷采用锚带网+架棚支护顶板，梯形断面，巷道断面：净宽×中净高=4m×2.8m，S荒=12.2m2，S净=11.2m2。

（2）支护参数

浅埋深近距离复合顶板施工时，根据锚杆锚固到3层夹矸为原则，确定托顶煤厚度1～1.2m。采用二次支护方式支护巷道：一次支护方式采用锚网+W钢带支护；二次支护方式采用架棚支护。1301N运输巷永久支护具体见图1。

一次支护方式：锚网+W钢带支护[2]。

顶板采用MSGLD-335等强螺纹钢式树脂锚杆（Φ20×L2000mm）配W钢带（运巷尺寸：4200×280×3mm，风巷尺寸：3600×280×3mm）及金属菱形网支护，锚杆间排距900×1000mm。

两帮采用MSGLD-335等强螺纹钢式树脂锚杆（Φ20×L2000mm）配W钢带（2000×280×3mm和3100×280×3mm）及双向拉伸塑料网支护，锚杆间排距为900×1000mm。

每根锚杆采用2支MSZ2835型树脂锚固剂。锚杆角度：沿顶板法线方向，顶角锚杆与垂直线夹角不大于15°。托盘采用屈服强度不小于235MPa的钢材制作，规格150×150×10mm。

二次支护方式：分段架棚+背板支护。

棚式支架采用11#矿用工字钢制作，棚距为1000mm，背板采用半圆木制作。

图1 巷道永久支护图（锚网带+架棚支护）

2.2 巷道支护优化方案

现有巷道支护方式采用锚网+架棚的复合支护方式，虽然采用分段架棚可以减少架设钢棚数量，但需要人工多，工人劳动强度依然较大，在一定程度上制约了巷道的掘进速度。

根据对1301N运输巷及回风巷现场观测情况，巷道围岩变形量较小，顶板离层仪检测显示最大离层量仅为200mm。控制离层或从根本上消除离层的最直接最有效手段是在高强锚杆支护基础上，进一步强化低位岩体的力学性能，改善其受力状态。该种支护形式可以在顶板未出现离层时强化顶板，减少变形；出现离层时，形成可靠的兜护效应，阻止巷道顶板冒漏，确保巷道的安全使用[4]。鉴于此，在不改变支护材料的基础上，对现有巷道支护参数进行优化，以减轻巷道支护工作量，提高掘进效率[3]。

支护参数优化的整体思路为加大架棚排距，辅助桁架锚索，在降低架棚密度的前提下降低顶板的离层破坏，保证巷道安全。桁架锚索是将处于受压状态的巷道两肩窝顶板深部岩体作为锚固点和支护结构的基础，通过高强度的预应力钢绞线传递张拉力，直接作用顶板浅部围岩，并由专用机具实现初张力。

（1）加大架棚排距，由原来的1000mm加大至1500mm，采用架4.5m空5m的布置方式。

（2）顶板锚杆采用全长锚固，其他支护参数维持不变。

（3）非架棚段采用桁架锚索支护，采用桁架锚索支护顶板，锚索选用Φ17.8mm×4200mm的钢胶线，锚索长度分别为：运输巷上顶角6.4m，下顶角5.4m，回风巷上顶角6.1m，下顶角5.1m。孔深分别为：上顶角4.5m，下顶角3.5m。钻孔与水平夹角分别为：上顶角50°，下顶角15°。每2m施工一组桁架锚索，每组2根，对称布置，通过连接器连接。锚索安装采用CK2340一卷及Z2388型树脂锚固剂2卷，搅拌时间为45s，30min后上钢托板张拉预紧，预紧力25MPa。

优化支护方案后，架棚工作量较现有架棚减少36.8%，较均匀架棚方式减少58.7%。具体支护见图2。

图2 巷道永久支护图（锚网带+锚索桁架梁支护）

3 施工工艺优化研究

（1）在开门点设计临时储矸仓，减少了主井皮带运输对迎头掘进排矸的影响，当主井皮带停止运行时，利用临时储矸仓储存迎头掘进的煤矸。

（2）优化架棚滞后距离，通过实践得出最佳架棚滞后迎头距离为5～15m。

（3）组建专业化架棚队，利用早班上半班检修时间进行集中架棚,要求架棚至迎头以外5m，减少架棚对掘进的影响。

（4）利用综掘机截割期间对架棚棚腿柱窝处进行超深截割，减少架棚人工凿窝工作量，利用综掘机机身进行棚腿架设，确保架棚速度及安全。

（5）利用早班检修时间进行巷道标准化整治、打砌水沟、水仓等工作。

（6）非架棚段在2.5m处巷道中间位置打设一根木点柱作为信号柱，掘进及回采期间实时观测信号柱变化情况，出现较大变形时及时架棚，防止顶板出现较大离层[5]。

（7）保证掘进支护施工质量，尽可能保证顶板平整，避免出现较大凹凸，影响锚杆支护效果。

4 实施效果

1301N工作面两巷掘进期间，未发生冒顶片帮等较大变形。回采期间对工作面采场矿压进行了观测，分别在1301N运输巷和1301N回风巷布置两组测点[6]，观测83d，观测结果如图3所示。

图3 1301N运输巷测点1巷道表面变形量

测点1的观测结果表明，1301N回风顺槽在工作面前方30m处开始显著变形，在工作面前方15～16m处变形最大，观测期间巷道两帮累计变形量为42mm，巷道顶底板累计移近量为116mm。

图4 1301N回风巷测点2巷道表面变形量

如图4测点2的观测结果表明，1301N运输顺槽在工作面前方27～28m处开始显著变形，观测期间巷道宽度累计变形量为34mm，巷道顶底板累计变形量为65mm。

综上分析可知，采空区下顺槽在该种支护强度下巷道变形量在可控范围内。

5 结束语

通过1301N上下巷道的试验，采用锚网带+架棚支护以及锚网带+锚索桁架梁支护均实现了极近距离老空区下复合顶板支护。通过施工工艺、劳动组织优化，掘进进尺由最初的180m提高到383m，提前两月完成工程，为生产接续赢得了时间，上下顺槽的支护强度满足了回采期间的要求。