复杂地质条件下工作面回采巷道的支护方案研究和思考

复杂地质条件下工作面回采巷道的支护方案研究和思考

曹彦

中煤大屯煤电公司姚桥煤矿掘进五队  江苏徐州  221600

摘要：姚桥煤矿东三采区7上01采煤工作面回采巷道煤体节理发育、破碎，现有支护方案不能有效的控制围岩，两帮变形较大。姚桥煤矿工程技术人员根据理论计算法和工程类比法结合多年煤矿生产实践经验提出的复杂地质条件下工作面回采巷道的支护方案，为类似地质条件矿井在支护方式选择和支护参数选取等方面提供了很好的借鉴。

关键词：回采巷道;支护理论;支护方案

一、概况

姚桥煤矿东三采区7上01采煤工作面为采区首采工作面，工作面标高-754.4～-864.1；地面标高+30.4～+33.7；平均煤厚5.26m；走向长度1416.9～1407.0；倾向长度200m；采面面积272886m²。东三轨道下山采区掘进揭露煤层。工作面煤层结构较复杂，工作面煤层整体呈宽缓褶曲构造，煤层产状：307°～ 323°∠12.0°～ 26.5°。工作面溜子道共发育15条断层，溜子道东部及西部局部发育一层碳质泥岩夹矸，夹矸厚为0.5m。煤层两极厚度2.90～7.50m，平均厚度5.26m，最薄处位于溜子道L13号点附近，最厚处位于材料道东部C25号点附近。

鉴于下山巷道揭露煤层情况来看，跟煤层段煤体节理发育、破碎，现有支护方案不能有效的控制围岩，两帮变形较大。首采面掘进在即陈楼矿工程技术人员对下一步的支护方案提出了自己的思考和应对方案。

二、基于围岩强度、围岩应力以及承载结构的支护理论

经典的锚杆支护理论以各种假说为基础，主要有悬吊理论法、冒落拱理论法、组合梁理论法、组合拱理论法等。这些假说或以实验为基础，或以特定条件下的工程实践为依据，经简化从不同侧面反映了锚杆支护加固围岩的作用机理，较好地解决了稳定性较高的巷道锚杆支护问题，得到了广泛的承认及应用。对于巷道支护设计原理，结合轨道下山掘进揭露煤层段巷道的工程地质条件和特点，从围岩强度、围岩应力以及承载结构等方面进行研究与分析。

围岩强度强化理论的实质是锚杆与围岩相互作用，组成锚固体。锚杆可改善锚固体力学参数，提高锚固体的强度，使岩体强度特别是峰后强度和残余强度得到强化形成共同承载结构，充分发挥围岩自承能力；锚固体强度随锚杆支护强度的提高而得到强化，达到一定程度就可保持围岩稳定。

回采巷道顶板和两帮为强度低、易破碎的煤岩体，巷道断面可采用高强螺纹钢锚杆加长或全长锚固支护强化围岩强度，锚杆通过施加预应力作用，与其锚固范围内的煤岩体形成的可适应围岩变形的锚固平衡拱，通过平衡拱发挥其自身的承载能力，实现提高围岩整体性和稳定性的目的。

自稳承载结构：锚杆（索）支护采用的树脂药卷全长或加长锚固在预应力作用下都在其周围形成一定范围的锚固体，即使在已破碎的围岩中，安装树脂药卷全长或加长锚固高强度锚杆和锚索，将破碎、不连续岩体联成整体，组合成稳定的梁或拱结构，阻止破碎围岩的冒落，同时承受锚固体外部岩层的载荷，保持巷道围岩稳定。

三、依据围岩强度强化理论提出的支护原则

为了充分发挥锚杆（索）主动支护的作用，并考虑到巷道围岩的变形机理及工程的特殊性，提出以下设计与支护原则：

（1）一次支护原则

回采巷道工程地质条件复杂，巷道将承担工作面从安装到回采的整个煤炭输出、通风及人员、设备、材料等的安全生产重任，因此必须保证巷道的支护效果，锚杆锚索支护应尽量一次支护就能有效控制围岩变形，避免二次或多次支护。巷道围岩揭露立即进行锚杆支护效果最佳，而在已发生离层、变形破坏的围岩中安装锚杆，支护效果显著降低。

（2）高预应力和预应力扩散原则

预应力是锚杆支护中的关键因素，是区别锚杆支护是被动支护还是主动支护的参数，只有高预应力的锚杆支护才是真正的主动支护，才能充分发挥锚杆支护的作用。一方面，要采取有效措施给锚杆施加较大的预应力；另一方面，通过托板、钢带等构件实现锚杆预应力的扩散，扩大预应力的作用范围，提高锚固体的整体刚度与完整性。

（3）临界支护强度与刚度原则

锚杆支护系统存在临界支护强度与刚度，如果支护强度与刚度低于临界值，巷道将长期处于不稳定状态，围岩变形与破坏得不到有效控制。因此，设计锚杆支护系统的强度与刚度应大于临界值。

（4）相互匹配原则

锚杆各构件，包括托板、螺母、钢带等的参数与力学性能应相匹配，锚杆与锚索的参数与力学性能应相互匹配，最大限度地发挥锚杆支护的整体支护作用。

（5）可操作性原则

锚杆支护设计应具有可操作性，有利于井下施工管理和掘进速度的提高。

（6）安全经济原则

在保证巷道支护效果和安全程度，技术上可行、施工上可操作的条件下，做到经济合理，有利于降低巷道支护综合成本。

4、针对陈楼煤矿工程实例提出的支护方案设想

支护方案主要包括支护方式的选择和支护参数的确定，针对陈楼煤矿具体地质生产条件，主要支护方式为锚杆（索）支护。

支护参数的确定包括支护材料的选择、支护构件的应用和相应材料构件匹配作用参数的选取等。

4.1支护材料的选择

锚杆材质：锚杆选择材质为25MnSi的左旋螺纹钢高强度锚杆，其屈服强度和极限强度大，控制围岩变形效果好，杆体表面具有凹凸纹理，能够保证锚杆与锚固剂之间较大的粘结力。Ф22mm螺纹钢锚杆，破断载荷不小于320KN，延伸率不小于10%，尾部螺纹采用滚丝机加工，为M24，长度100mm～120mm。

锚索有钢绞线、托盘、索具配套。钢绞线直径21.6mm，钢板托盘300 mm×300 mm×16mm（长×宽×厚），索具一套。

顶板梯型钢带：回采巷道围岩强度低、裂隙发育，此类巷道长期使用，顶板采用一般钢筋梯子梁控制围岩变形较为困难，考虑到巷道运行单轨吊辅助运输，巷道顶板锚杆采用梯形钢带加强顶板变形的控制。

4.2支护构件的应用

方格网:为配合顶板梯形钢带梁，顶板选用方格金属网以维护锚杆间的围岩，防止松动破碎岩块下落。方格网不仅能提供一定的支护力，一定程度改善巷道表面岩层受力状况，同时能将锚杆之间区域岩层的荷载传递给锚杆，促进巷道支护系统整体的形成。

梯子梁:与巷道顶板锚杆梯形钢带梁类似，巷道两帮采用钢筋梯子梁，加强帮部锚杆支护的整体性。考虑到巷道断面高度较高，巷道掘进采用沿中轴线两侧分开先后沿底向上掘进，有利网和长梯子梁的标准安装。

菱形网:与顶板方格网原理类似，巷道两帮采用菱形网，控制软弱煤岩体碎涨塌落，增强帮部煤体的稳定性，减小两帮移近量。

4.3锚杆（索）支护参数确定

4.3.1锚杆

锚杆直径：锚杆直径为22mm，钻孔直径：钻孔直径为28mm，锚杆排距：900mm，锚杆间距：顶板锚杆间距850mm，帮部锚杆间距850mm，锚杆预紧扭矩：锚杆预紧力对控制围岩变形有很重要的作用，顶锚杆锚固力大于150KN，锚杆预紧扭矩要在300N·m以上。

4.3.2锚索

锚索直径：锚索直径为21.6mm，锚索长度：顶部锚索长度7250mm；帮部锚索长度3000mm。锚索排距：排距2700mm。锚索间距：顶部锚索每排3根锚索，中间锚索在巷道中线打入，左右两根锚索距中间锚索1600mm施工；帮部锚索每排2根锚索，间距1000mm，居中布置。锚索钻孔直径：钻孔直径为28mm。锚索张拉预紧力大于100KN。

以上支护方案是姚桥煤矿工程技术人员根据理论计算法和工程类比法结合多年煤矿生产实践经验提出的，为类似地质条件矿井在支护方式选择和支护参数选取等方面提供了很好的借鉴。

参考文献：

1、郭廖武.王艳辉.宋卫东.《潮铁矿大断面采准巷道稳定性数值模拟研究》.金属矿山,2002

2、马 元.请洪文.陈玉桦.《动压巷道围岩破坏机理及支护的数值模拟》.采矿与安全工程学报,2007

3、韩伯鲤.陈霞岭.宋一乐等.《岩体相似材料的研究》.武汉水利电力大学学报.1997