莒山矿回风顺槽超前支护技术研究

常王军，王 园

（山西兰花集团莒山煤矿有限公司，山西 晋城 048027）

引言

回风顺槽是煤矿井下综采工作面安全通风和辅助运输的重要通道，对工作面安全开采具有十分重要的作用[1-3]。工作面在回采过程中，在前方一定范围内会形成一种超前采动应力，位于超前采动影响范围内的回风顺槽会受集中应力的影响，围岩破坏变形严重，因此需要进行超前支护[4]。《煤矿安全规程》规定，回采巷道超前支护范围不小于20 m。为实现回风顺槽的超前安全支护，本文以莒山矿9103 工作面回风顺槽为研究背景，通过理论分析分别对巷道顶板岩层应力、巷道锚杆及锚索支护应力进行研究，并在此基础上分析出了超前支护所需的合理支护强度，确定了合理的超前支护技术与装备，实现了工作面回风顺槽30 m 范围的安全、高效超前支护，最终成功用于工程实践。

1 巷道开采技术条件

9103 工作面所采的煤层位于石炭系上统太原组，煤层厚度为0.6～1.6 m，平均厚度为1.3 m，煤层顶板为泥岩及砂质泥岩，底板以泥岩为主，煤层岩性特征如表1 所示。

表1 巷道顶底板特征

9103 回风顺槽设计为矩形断面巷道，宽度为3.2 m、高度为3.1 m，沿9 号煤层顶板掘进，巷道采用锚杆、锚索进行联合支护。顶板每排布置4 根Φ20 mm×2 100 mm 型螺纹钢锚杆，间距为800 mm，排距为800 mm，垂直顶板布置；顶板锚索为Φ17.8 mm×8 300 mm 的钢绞线，采用“1-2-1”布置方式，每排布置2 根锚索时，锚索距巷帮距离均为800 mm，间距为1 600 mm；每排布置1 根锚索时，布置于巷道顶板中部，锚索排距为1 600 mm。巷道两帮每排布置4 根Φ20 mm×2 100 mm 型螺纹钢锚杆，间距为800 mm，排距为800 mm，垂直于帮部打设。

2 超前支护参数

2.1 超前支护强度

巷道顶板上覆岩层重量按式（1）计算：

式中：Pt为合理的支护强度，kN/m2；h 为巷道高度，取3.1 m；γ 为上覆岩层容重，取25 kN/m3；k 为巷道上覆岩层垮落带与巷高之比，一般为4～8，这里取8。

将对应数值代入式（1），有Pt=3.1×25×8=620 kPa，巷道采用锚杆及锚索支护，锚杆支护力按式（2）计算：

式中：Qb为巷道锚杆支护力，kN；S为支护面积，m2。

在支护排距为800 mm 范围内，每排布置4 根锚杆，锚杆设计锚固力为180 kN；代入公式（2），则单位支护面积内锚杆支护力

巷道锚索支护强度为：

式中：Qc为巷道锚杆支护力，kN；S为支护面积，m2。

巷道顶板锚索采用“1-2-1”的布置方式，排距为1 600 mm，可将锚索简化为每排布置1.5 根，锚索设计锚固力为500 kN；将各参数代入公式（3），则单位支护面积内锚索支护力

回采巷道超前支护强度按式（4）计算：

将上述计算结果代入式（4）得出：P=Pt-Pb-Pc=620-281.25-146.48=192.27 kPa，即超前支护强度不低于192.27 kPa。

2.2 超前支护长度

巷道超前支护长度与工作面超前采动影响区域的范围有关，根据相邻工作面开采过程中回采巷道的现场实测数据，工作面超前应力峰值位于工作面前方8～10 m 位置，工作面超前高应力区域为工作面超前28 m 范围。考虑9103 工作面与相邻工作面具有相同的开采地质条件，确定9103 回风顺槽超前采动影响区为工作面前方28 m，确定超前支护长度不低于28 m。

3 超前支架确定

基于上述分析，9103 回风顺槽超前支护强度不低于192.27 kPa，超前支护长度不低于28 m，确定使用ZQL2×3200/18/35 型巷道超前支护支架组，2 架1 组，共3 组，超前支护长度为30 m。支架组主要技术参数如表1 所示。

表1 支架组主要技术参数

该支架组设计为窄型顶梁，实际支护过程中，顶梁与锚杆之间的巷道顶板接触，不与巷道顶板锚杆及锚索接触，有效避开了锚杆及锚索，最大程度地避免了支护过程中的加载对顶板锚杆及锚索的破坏，保证了支架与顶板的良好作用效果，超前支架组对围岩具有良好的适应性。

4 应用效果

将ZQL2×3200/18/35 型巷道超前支护支架组应用于9103 回风顺槽，超前支护长度为30 m，在实际使用过程中巷道顶板最大下沉量为256 mm，煤柱帮最大变形量为198 mm，实体煤帮最大变形量为156 mm，底板最大变形量为126 mm，巷道实际变形量较小；实际支护过程中巷道顶板锚杆及锚索支护系统未受到破坏，表明超前支架组实际使用效果良好，可以满足工作面回风顺槽超前支护要求。

5 结语

使用超前支护支架组后，回风顺槽围岩得到了较好地维护，巷道顶板锚杆及锚索支护系统基本未受到破坏，巷道超前支护支架组的应用促进了综采工作面安全高效开采，同时也取得了不错的经济效益。