莒山礦3 號煤層回風巷道支護技術研究

郭振興

（山西智德安全股份有限公司， 山西 太原 030006）

引言

回風巷道是綜采工作面安全通風和輔助運輸?shù)闹匾ǖ溃虼讼锏绹鷰r有效控制對工作面安全生產(chǎn)具有十分重要的作用[1-3]。本文以莒山礦3 號煤層回采工作面回風順槽為工程背景，對巷道支護參數(shù)進行了分析，并進行了工程實踐，具有良好的應用效果。

1 工程概況

莒山煤礦ZF305 工作面位于井田東部，工作面設計長度為150 m，推進長度1 000 m，工作面所采煤層為3 號煤層平均厚度為6.18 m，煤層結構簡單，含0～2 層泥巖，采用綜合機械化放頂煤開采，其中采2.2 m，放3.98 m，采放比1∶1.8，端頭不放煤。工作面基本頂為中粒砂巖，深灰色，含植物化石，平均厚度為8 m；直接頂為黑色泥巖，平均厚度為9.27 m；直接底為灰黑色及深灰色泥巖，夾薄層狀粉砂質泥巖，上部含有植物化石，平均厚度為4.5 m，基本底為灰白色中細砂巖，硅質膠結，平均厚度為5.14 m。

ZF305 回風順槽原為ZF303 工作面輔助運輸順槽，ZF303 工作面回采結束后作為ZF305 工作面回風順槽繼續(xù)使用，巷道東部為ZF303 采空區(qū)隔離煤柱，寬度為8 m，西部為實體煤幫，巷道原始支護方案為錨桿及工字鋼棚支護，錨桿長度為1.8 m，頂板及兩幫間排距均為900 mm×900 mm。ZF305 工作面回采期間由于錨桿支護參數(shù)不合理，巷道發(fā)生了嚴重的破壞變形，特別是臨近工作面30 m 范圍內巷道變形速度大幅度增大，工作面附近頂板最大下沉量達980 mm，煤柱幫最大變形量為870 mm，實體煤幫最大變形量為460 mm，底板最大底鼓量為560 mm，嚴重影響了工作面回風及輔助運輸。

2 巷道錨桿支護參數(shù)分析

2.1 巷道塑性范圍確定

對于圓形巷道應用彈塑性極限平衡理論分析可得圓形巷道塑性區(qū)半徑計算公式如下[4-5]：

式中：Rp為巷道塑性區(qū)半徑，m；R0為巷道外接圓半徑，m；a 為錨桿排距，取 0.8 m；p 為錨桿錨固力，取150 kN；C 為煤體黏聚力，取 1.08 MPa；φ 為煤體內摩擦角，取28°。代入數(shù)據(jù)計算得Rp=1.03 m。

針對矩形巷道，由于其應力的復雜性，目前不能從矩形巷道的力學模型解決出塑性區(qū)形狀及大小問題。因此，一般采用將其視半徑為外接圓半徑的圓形巷道進行計算，求得塑性區(qū)半徑后再乘以修正系數(shù)，其相應的修正系數(shù)見表1，預計F305 回風順槽塑性區(qū)范圍R。根據(jù)表1 得，修正系數(shù)為1.4。

代入修正系數(shù)計算得R=1.36 m。

表1 矩形巷道塑性區(qū)范圍修正系數(shù)

2.2 錨桿長度確定

巷道錨桿長度L 應滿足：

式中：L1錨桿外露長度，取0.15 m；L2為錨桿有效長度，頂錨桿取圍巖松動圈冒落高度b，幫錨桿取幫破碎深度R，m；L3為錨桿錨固長度，取0.4 m。

圍巖松動圈冒落高度：

式中：B、H 分別為巷道掘進跨度和高度，均取3 m；f頂為擾動影響下頂板巖石普氏系數(shù)，取1.7；ω幫為兩幫圍巖的內摩擦角，取28°。代入數(shù)據(jù)計算得b=1.38 m。

因此，頂板錨桿長度L=0.15+1.38+0.4=1.91 m，幫部錨桿長度L=0.15+1.36+0.4=1.86 m。

2.3 錨桿間排距

回采巷道錨桿布置必須滿足錨桿懸吊巖體重量，為保證頂板的穩(wěn)定性，則錨桿錨固力應能承擔懸吊巖體的重量，通常情況下間排距相等，結合以往的支護實踐，確定巷道錨桿間排距為800 mm。

3 巷道支護方案

以往研究及實踐經(jīng)驗表明，錨桿及錨索的合理支護對巷道圍巖的有效控制具有十分重要的作用，在采動影響下，巷道圍巖淺部巖層極易發(fā)生破壞，巖石強度大幅度降低，通過錨桿及錨索支護可以有效提高巖石的殘余強度。根據(jù)上述計算結果，結合F305 回風順槽頂板巖層賦存情況，確定錨桿支護方案。

3.1 錨桿支護

巷道頂板采用Φ20 mm×2 000 mm 的左旋無縱筋螺紋鋼錨桿，樹脂加長錨固，間排距為800 mm×800 mm，每排布置4 根錨桿，靠近兩幫邊緣錨桿與豎向方向呈15°夾角；兩幫采用Φ20 mm×2 000 mm 的左旋無縱筋螺紋鋼錨桿，樹脂加長支護，錨桿間排距均為800 mm×800 mm，幫部每排布置4 根錨桿，幫部上下邊緣錨桿與水平方向呈15°夾角。錨桿支護時采用1 卷K2335、1 卷Z2360 型樹脂藥卷加長錨固，錨固長度≮1.0 m，頂錨桿最低錨固力120 kN，幫錨桿最低錨固力80 kN，預緊扭矩≮200 N·m。

3.2 補強支護

巷道錨桿支護完畢后頂板采用Φ15.24 mm×8 300 mm 的高強度鋼絞線，“2-1-2”方式布置，樹脂加強支護，錨索間排距為1 600 mm×1 600 mm，破斷載荷不低于260 kN。同時對巷道進行混凝土噴漿，噴漿厚度為100 mm，如圖1 所示。

4 應用效果

根據(jù)上述研究對ZF305 回風順槽進行重新支護，支護斷面如圖1 所示。巷道掘進期間頂板最大下沉量為112 mm，兩幫最大移近量為156 mm，底板最大底鼓量為46 mm；回采期間回風巷道變形曲線如圖2 所示，由圖可知，隨著工作面臨近巷道變形量逐漸增大，在工作面附近頂板最大下沉量約為350 mm，兩幫最大移近量約為420 mm，底板最大底鼓量約為260 mm，巷道變形量遠低于原始變形量，表明巷道圍巖得到了有效控制，巷道支護方案合理。

圖1 巷道支護斷面圖（未標單位：mm）

圖2 巷道圍巖變形曲線