大断面4302 回风顺槽支护优化技术研究

郭建平

（长治市矿山救护大队，山西 长治 046000）

煤矿回采巷道的断面面积不断增大[1-2]，给巷道支护技术提出了较高的要求[3-5]。三元煤业4302 回风顺槽大断面巷道变形大，受采动影响严重，难以维护，因此对其顺槽支护方案进行了全面的优化设计，并将其应用到工程实践中，取得了较好的应用效果，对于提升巷道支护技术水平具有重要的实践意义。

1 工程概况

4302 回风顺槽设计长度1348 m，该巷从四采区皮带巷（西翼）900 m 处开口，以270°29′19″方位角向前掘进，先沿5°下山掘进，逐渐破顶，掘进到四采区回风巷上方时保证与四采区回风巷之间留有最少500 mm 厚的煤；掘进至46 m 后与4302 回风顺槽回风道贯通，以6°37′坡度下山掘进，掘进到四采区胶轮车巷上方时保证与四采区胶轮车之间留有最少500 mm 厚的煤；掘进至99 m 与4302 回风顺槽联络巷贯通后，以5°～7°下山找见煤层底板，最后沿3#煤层底板掘进到达指定位置。煤层伪顶为0.1 m 砂质泥岩，直接顶为8.0 m细粒砂岩，基本顶为3.0 m 中粒砂岩，底板为1.0 m砂质泥岩、2.8 m 细砂岩。掘进巷道为矩形，采用锚网梁锚索支护，断面宽5.2 m，高3.5 m，净断面高3.2 m，毛断面面积18.2 m2。

2 原支护方案

2.1 原支护方案

巷道原支护方案如图1。

2.2 存在问题

存在的主要问题：采动影响巷道顶板锚索支护密度虽相比其他不受采动影响的回采巷道支护密度有所加强，但考虑到巷道所受采动影响后发生破坏，二次补强，效果会大大减小；顶板锚杆和单体锚索打在同一排，仅用W 钢带进行连接，且W 钢带间距为900 mm，W 钢带间的金属网并不能有效承载破碎煤体，容易产生网兜、金属网撕裂等现象；矩形巷道肩角位置受剪应力集中明显，且考虑到受相邻工作面采动影响作用，应沿巷道掘进方向在角锚索位置布置钢梁，角锚索位置距肩角部位距离为150 mm，距离过大。

图1 原支护方案正视图

3 支护优化原则及方案

3.1 锚杆（索）支护设计优化原则

针对受相邻工作面采动影响的4302 回风顺槽，为了充分发挥锚杆锚索联合支护作用，使支护效果达到最佳，采用以下几个支护设计原则：

（1）一次支护原则

应尽量设计出一次支护就能达到有效控制围岩变形的效果，避免后期巷道围岩变形破坏严重，而被动使用二次支护甚至多次支护的安全问题。

（2）高预应力及预应力扩散原则

在锚杆（索）支护中，预应力是其中的一项关键因素，直接决定了锚固在巷道围岩中的锚固体是否是真正的主动支护，是否能发挥锚杆（索）的支护作用。

（3）“三高一低”支护原则

“三高一低”是指：高刚度、高强度、高可靠性及低支护密度。通过提高施加给锚杆（索）高预应力来提高锚杆（索）的刚度，通过连接构件及确保施工质量合格等方式来提高支护系统的可靠性，在整体支护强度达到要求，具有高可靠性的前提下，适当降低支护密度。

（4）安全与经济相协调原则

所有的支护设计及施工都是以保障安全为前提的，在保障巷道围岩稳定性及安全生产条件下，考虑适当降低施工成本，进而提高煤炭生产效益。

3.2 支护设计优化要点

针对原支护设计存在的问题，提出改良对策如下：

（1）加大初次支护密度，尤其是锚索支护密度，应将W 钢带中部单体锚索替换为锚杆，增加锚索数量并单独成排；

（2）将单独成排的锚索用工字钢连接起来，使锚索形成一个整体结构，配合连接锚杆的W 钢带增加了巷道顶板的整体护表面积；

（3）角锚索的布置位置应位于巷道肩角位置，同时在锚索上沿掘进方向增加工字钢梁，使其更好地维护巷道煤体易破碎的肩角位置。

从调研情况发现，组合锚索在大同矿区特厚煤层巷道顶板维护中发挥着较好的效果，能对顶板提供较高的预应力，在受采动影响作用巷道中也能承载较高的载荷。

3.3 支护优化方案

巷道优化支护方案采用锚杆—锚索联合支护，配合菱形金属网、W 钢带、工字钢等配套构件。巷道采用“锚索+角锚索+钢带+菱形网+钢梁+钢筋梯+组合锚索”的支护形式。锚索为Ф21.8 mm的19 股预应力钢绞线，锚杆为Ф22 mm 的左旋无纵筋螺纹钢锚杆，支护参数如图2 所示。巷道顶帮喷射混凝土，喷厚100 mm，喷射砼强度等级为C20，铺底厚度为200 mm，砼强度为C30。

4 矿压观测

根据现场4 个测站的实测数据，将数据整理在Excel 表中，并用Origin 软件进行分析，由于4 个测站的数据变化趋势大致相同，且巷道围岩位移量无明显差别，故此处选取2 号测站数据，得到4302回风顺槽在掘进期间顶底板移近量及两帮移近量如图3、图4。

图3 掘进期间巷道位移监测曲线

图4 相邻工作面回采期间巷道位移监测曲线

在4302 回风顺槽掘进期间，巷道整体移近量均较小，巷道围岩稳定性较好。4302 回风顺槽顶板移近量及两帮移近量在成巷后前18 d 内增长速度较大，在成巷后18～30 d 增长速度有所下降但移近量仍然持续，直到30 d 左右移近量达到最大并开始趋于稳定状态，巷道围岩应力进入新的应力平衡状态。

从巷道表面位移曲线来看，优化支护方案能有效控制4302 回风平巷在受采动影响条件下的围岩变形；从离层测站测得数据来看，由于测得的顶板离层量在6～9 mm 之间，巷道顶板的稳定性良好；锚杆（索）预紧力和螺母拧紧程度抽验合格率在97%以上，支护质量能够达到要求。

5 结论

以4302 回风顺槽大断面巷道的支护为研究对象，综合运用现场调研、理论分析、现场实测等研究方法，重点对采动影响巷道围岩稳定性、控制技术及控制实践三个方面进行了系统研究，针对原支护方案存在问题提出对应的改良对策，并设计出相对合理的优化支护方案。研究成果为山西三元煤业后期同煤系特厚煤层巷道锚杆（索）支护设计提供科学依据，具有重要的理论与实践意义和良好的推广应用前景。