4202 工作面回采巷道支护优化方案研究

梁 飞

（太原煤炭气化（集团）有限责任公司，山西 太原 030006）

1 工程概况

龙泉煤矿4202 工作面所采煤层为4#煤，位于太原组顶部，埋深在600m 左右，煤厚5.75～7.03m，平均厚度6.47m。煤层形态较稳定，结构较复杂，含夹矸1～2层。煤层顶板岩层主要由砂质泥岩及砂岩组成，局部为中细粒砂岩，岩性较硬，属中—难冒落。煤层底板以砂质泥岩为主，层理较发育，稳定程度属稳定。巷道原支护设计采用的是锚网索支护。

2 回采巷道变形特征及机理分析

回采巷道在开掘的初期就出现了较为明显的冒顶、底鼓及帮部收敛问题，原设计支护方案不能保证巷道稳定。针对这一情况，构建了4202 工作面回采巷道地质力学模型，并结合现场勘探，对回采巷道变形特征及机理进行了深入分析。

2.1 地质条件分析

通过采取电镜扫描试验的方式显示回采巷道煤层表面可以看到片状伊蒙混层，其中包含微孔隙，底板可看到片状伊蒙混层和板状高岭石。通过x 射线衍射分析，回采巷道直接底板中含有的黏土矿物较高，具体为伊蒙混层矿物与蒙脱石。黏土矿物含量占到总矿物含量的90%以上。在所有粘土矿物当中，伊蒙混层含量占到95%以上[1]，这表明在煤层直接底膨胀性较强，遇水容易出现膨胀泥化现象，这也是导致巷道底板出现较大变形的主要原因之一。

2.2 顶板下沉量较大

通过现场勘查，回采巷道的顶板离层下沉严重，出现了明显的支护结构弯曲断裂。图1 为巷道在原有支护条件下，顶板变形破坏情况。可看出顶板中部下沉情况严重，垂直位移平均数值已经接近300mm，变形最大的位置已经接近400mm。分析导致这种变形出现的主要原因就是原支护的强度及刚度不够，形成了大量的“网兜”，从整个巷道位移矢量来分析，位移情况主要以垂直方向的位移为主，在巷道肩部出现了一定量的水平位移，导致巷道的帮部出现了鼓起，位移的影响深度超过了2m[2]。

图1 巷道垂向位移场（单位：m）

从数值模拟情况来看，回采巷道顶板变形过程为：巷道开挖后围岩整体的应力状态出现了变化，塑性松动圈的范围在不断扩大，顶板块体开始出现滑移，两帮位置的煤体在水平和垂直方向开始出现了较大范围的移动，最终导致顶板变形量急剧增加[3]。

从整个巷道开挖情况来看，在开挖初期，两帮、顶板的矢量方向、变形速度等有着较大的差异，垂直位移是整个顶板的主要变形，随着位置逐步上移，位移速度逐渐降低。对于两帮的煤层，相互收敛是其主要变形特点，在一定程度上也导致巷道底鼓严重，同时对于顶板破断离层也有着明显的拉动作用。

根据上述分析可知，对于回采巷道所处的地质情况，应当对两帮的收敛和顶板的下沉进行重点的控制[4]。

2.3 巷道底鼓变形突出

由于在掘进过程中没有采取及时有效的措施实现对底板的控制，再加上底板中所含的膨胀性软岩成分较高，导致巷道底板出现了严重的底鼓，给巷道的稳定性带来了较大的影响。图2 为巷道底板垂直位移图。

图2 巷道底板垂直位移图（单位：m）

从图2 可看出，巷道底板出现了较大范围的变形，因为底板泥岩中包含的膨胀性软岩成分较高，垂直位移平均超过了200mm，底板中部为巷道底鼓最为集中的区域，最大位移超过了400mm，严重影响到回采巷道的正常使用。

2.4 沿结构面冒顶问题明显

在掘进回采巷道的过程中，因为未能及时有效实现对顶板的控制，导致巷道整体出现了沿着结构面方向的冒顶，巷道顶板沿着结构面方向的变形较为严重，在局部冒落后形成了较多的台阶。

3 巷道返修支护分析

3.1 巷道断面优化分析

图3（a）、图3（b）分别为回采巷道选择使用矩形巷道断面和直墙弧形拱顶断面巷道整体的位移情况。通过图3 可知，选择使用直墙弧形拱顶断面的巷道整体的位移量要明显小于矩形断面，在没有支护的情况下，直墙弧形拱顶断面巷道最大位移量不到15cm。优化后底鼓量明显减小，不到原巷道断面的1/2，出现底鼓的范围也明显减小，所以将巷道断面从矩形优化为直墙弧形拱顶断面。为了减少底鼓量，本次返修支护时将底板1m 左右的泥岩全部挖掉，减少膨胀性软岩成分对巷道稳定性的影响。

图3 不同断面巷道位移图像

3.2 支护参数优化分析

（1）锚杆、锚索支护优化。考虑到原有支护整体强度较低、密度较小，在返修支护时用Ф22mm的锚杆代替原支护下Ф20mm 的锚杆，增加锚杆长度到2.4m。锚索直径从15mm 增加到17.8mm，适当增加锚索支护密度。

（2）锚网支护参数优化。选择使用Ф6mm 的钢筋焊接网代替原铁丝网，增加铺网支护刚度。

（3）在原支护条件下底板未进行支护，处于敞开状态，考虑到底板围岩变形较大实际，本次优化选择使用底板锚索对底板进行支护。在底板巷道对称布置一根，间距设计为1000mm。

（4）对托盘进行优化。原支护仅使用木托盘，本次使用复合托盘，外部为铁托盘，内部为木托盘。通过复合托盘更好协调锚杆锚索与围岩的变形。支护示意图如图4 所示。

图4 返修支护设计示意图

4 返修支护效果

选择使用上述返修方案对巷道进行了返修，在返修后选择使用“十字交叉法”对巷道变形情况进行了监测，围岩变形曲线如图5 所示。通过图5 可看出，巷道稳定性得到了较好的控制，满足了回采巷道返修支护实际需求。

图5 巷道返修后位移曲线