2309 工作面順槽巷道頂板支護(hù)優(yōu)化研究

張亞飛

（晉能控股裝備制造集團(tuán)趙莊二號(hào)井，山西 晉城 048000）

1 工作面概況

趙莊二號(hào)井2309 工作面巷道布置如圖1。23091 順槽、23092 順槽沿頂板留底煤掘進(jìn)，煤層平均厚度4.6 m，煤層平均傾角3°。順槽頂板由泥巖、砂質(zhì)泥巖、粉砂巖及砂巖組成，結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，頂板泥巖和砂質(zhì)泥巖節(jié)理裂隙發(fā)育[1-3]。23091 順槽、23092 順槽頂板砂質(zhì)泥巖平均厚度達(dá)到10.78 m，在兩順槽掘進(jìn)期間，部分區(qū)域0.5～2 m 厚的頂板極為不穩(wěn)定，破碎、離層嚴(yán)重，部分區(qū)域甚至發(fā)生冒頂。

圖1 2309 工作面巷道布置圖

2 圍巖地應(yīng)力測試

利用SYY-56 型小孔徑水壓致裂裝置[4]進(jìn)行地應(yīng)力測試，測站位置：第一測站位于井底車場配風(fēng)巷內(nèi)，第二測站位于1304 外回風(fēng)順槽（13044 巷）內(nèi)，第三測站位于東軌大巷，距離6#橫川向里60 m 處。測試結(jié)果見表1。

表1 地應(yīng)力現(xiàn)場測試結(jié)果表

三個(gè)測站的最大水平主應(yīng)力范圍為13.02～14.78 MPa，最小水平主應(yīng)力范圍為6.71～7.58 MPa，側(cè)壓系數(shù)在1.09～1.46 之間，在地應(yīng)力量值上屬于中等應(yīng)力值區(qū)域，最大水平主應(yīng)力方向均為北偏東方向。三個(gè)測站最大水平主應(yīng)力均大于垂直應(yīng)力，應(yīng)力場類型為σH＞σV＞σh應(yīng)力場。受最大水平主應(yīng)力的影響，2309 工作面順槽巷道頂、底板穩(wěn)定性將差于兩幫穩(wěn)定性，要重點(diǎn)加強(qiáng)對順槽巷道頂板的支護(hù)。

3 順槽頂板支護(hù)設(shè)計(jì)優(yōu)化

在順槽頂板原支護(hù)參數(shù)基礎(chǔ)上，對支護(hù)設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化，23092 巷掘進(jìn)進(jìn)尺300～500 m 范圍分布有陷落柱，導(dǎo)致此區(qū)域頂板破碎更為嚴(yán)重，因此將順槽頂板支護(hù)優(yōu)化分為常規(guī)區(qū)域優(yōu)化和構(gòu)造區(qū)域優(yōu)化兩類。

3.1 原順槽頂板支護(hù)方式

頂板錨桿型號(hào)Φ22 mm×2400 mm，排距1200 mm，間距1000 mm，每排5 根。錨桿鉆孔直徑28 mm，錨固力不小于100 kN，預(yù)緊力矩不小于400 N·m。錨桿托盤規(guī)格為150 mm×150 mm×8 mm。頂板鋼帶寬度80 mm，長度4100 mm，由Φ14 mm 的鋼筋焊接而成。護(hù)頂金屬菱形網(wǎng)網(wǎng)片由10#鉛絲編制而成，規(guī)格為4.7 m×1.3 m，網(wǎng)孔尺寸50 mm×50 mm。錨索采用1×19 股高強(qiáng)度低松弛預(yù)應(yīng)力鋼絞線，型號(hào)為Φ22 mm×6400 mm，排距2.4 m，每排2 根，錨索鉆孔直徑30 mm，預(yù)緊力不小于300 kN，采用300 mm×300 mm×16 mm 的高強(qiáng)度可調(diào)心托板及配套鎖具。如圖2。

圖2 傳統(tǒng)順槽頂板支護(hù)方式示意圖（mm）

3.2 順槽頂板支護(hù)方式優(yōu)化

1）常規(guī)區(qū)域順槽頂板支護(hù)優(yōu)化

頂板錨桿型號(hào)Φ22 mm×2400 mm，排距為1200 mm，間距為1000 mm，每排5 根。錨桿鉆孔Φ28 mm，錨固力不小于100 kN，預(yù)緊力矩不小于400 N·m。錨桿托盤規(guī)格為150 mm×150 mm×8 mm。頂板鋼帶寬度80 mm，長度4100 mm，由Φ14 mm 的鋼筋焊接而成。護(hù)頂金屬菱形網(wǎng)網(wǎng)片由10#鉛絲編制而成，規(guī)格為4.7 m×1.3 m，網(wǎng)孔尺寸50 mm×50 mm。錨索采用1×19 股高強(qiáng)度低松弛預(yù)應(yīng)力鋼絞線，型號(hào)為Φ22 mm×6400 mm，排距1.2 m，每排2 根，錨索鉆孔直徑30 mm，預(yù)緊力不小于300 kN，采用300 mm×300 mm×16 mm的高強(qiáng)度可調(diào)心托板及配套鎖具。

2）構(gòu)造區(qū)域順槽頂板支護(hù)優(yōu)化

23092 巷300～500 m 范圍受陷落柱影響頂板破碎更為嚴(yán)重，此區(qū)域應(yīng)提高支護(hù)強(qiáng)度。在優(yōu)化后的常規(guī)區(qū)域順槽頂板支護(hù)參數(shù)基礎(chǔ)上，將錨桿排距由1200 mm 加密為排距1000 mm，錨索型號(hào)由Φ22 mm×6400 mm 優(yōu)化為Φ22 mm×8400 mm，錨索排距由1200 mm 加密為排距1000 mm，其他參數(shù)不變。

優(yōu)化后的順槽頂板支護(hù)方式如圖3。

圖3 優(yōu)化后的順槽頂板支護(hù)方式示意圖（mm）

3.3 支護(hù)效果模擬分析

采用FLAC3D軟件對優(yōu)化后的支護(hù)方案進(jìn)行模擬分析。由圖4 的順槽垂直位移分布云圖可知，采用優(yōu)化的支護(hù)方案后，順槽常規(guī)區(qū)域頂板最大下沉量為92 mm，順槽構(gòu)造區(qū)域的頂板最大下沉量為271 mm，頂板下沉量均能夠保障順槽的安全使用，說明優(yōu)化后的支護(hù)方案能夠有效控制2309 工作面順槽頂板變形，可以進(jìn)行現(xiàn)場試驗(yàn)。

4 現(xiàn)場試驗(yàn)效果

在23091 順槽和23092 順槽進(jìn)行現(xiàn)場支護(hù)實(shí)踐，并在23092 順槽的常規(guī)區(qū)域以及300～500 m 構(gòu)造區(qū)域內(nèi)分別布設(shè)礦壓監(jiān)測測站分析巷道頂板下沉情況。

由圖5 順槽頂板下沉曲線可知，隨著回采工作面距離測站越來越近，測站頂板下沉量逐漸增大。在順槽常規(guī)區(qū)域，距離工作面24～153 m 范圍頂板緩慢下沉，距離工作面7～24 m 范圍頂板增速變形，距離工作面0～7 m 范圍頂板下沉速度加快，最終頂板最大下沉量為85 mm。在順槽構(gòu)造區(qū)域，距離工作面65～153 m 范圍頂板緩慢下沉，距離工作面25～65 m 范圍頂板增速變形，距離工作面0～25 m 范圍頂板下沉加快，最終頂板最大下沉量為289 mm。現(xiàn)場試驗(yàn)的順槽巷道常規(guī)區(qū)域頂板下沉量較小，效果較好，構(gòu)造區(qū)域頂板下沉量較常規(guī)區(qū)域有所增加，但最大下沉量仍在可控范圍之內(nèi)，能夠保障順槽巷道的安全使用。

圖5 工作面回采期間23092 順槽頂板下沉曲線

5 結(jié)論

通過圍巖地應(yīng)力測試得到了地應(yīng)力分布情況，結(jié)合2309 工作面頂板砂質(zhì)泥巖顯著變厚的特點(diǎn)，對2309 工作面順槽常規(guī)區(qū)域和構(gòu)造區(qū)域的頂板支護(hù)設(shè)計(jì)進(jìn)行了優(yōu)化。現(xiàn)場應(yīng)用表明，采用優(yōu)化支護(hù)方案，順槽常規(guī)區(qū)域頂板最大下沉量為85 mm，構(gòu)造區(qū)域頂板最大下沉量為289 mm。順槽常規(guī)區(qū)域和構(gòu)造區(qū)域的頂板下沉量均在控制范圍之內(nèi)，未出現(xiàn)嚴(yán)重下沉、掉矸情況，表明優(yōu)化后的頂板支護(hù)方案合理可靠，保障了2309 工作面回采期間順槽的安全穩(wěn)定，為類似條件順槽支護(hù)設(shè)計(jì)提供了參考。