张海平

(山西宁武大运华盛庄旺煤业有限公司，山西 忻州 036700)

顶板事故一直以来都是煤矿井下五大灾害之首，近年来，随着浅部资源的枯竭，开采深度逐渐增加，工作面及巷道围岩体所受的围岩压力越来越大，造成工作面顶板安全形势愈发严峻[1-3]。为提高回采率，以及受煤层赋存条件的影响，煤矿开采过程中会形成孤岛工作面，孤岛工作面围岩应力大、围岩塑性区范围广，在开采中若支护方式不当，很容易发生顶板事故，因此对孤岛工作面进行合理有效的支护设计分析十分必要[4-5]。

1 工程概况

庄旺煤业50203工作面是5号煤层502采区第三个工作面，5号煤层平均厚度13 m，平均倾角10°，煤深380 m左右。煤层直接顶板为砂质泥岩，抗压强度10～60.8 MPa, 抗拉强度0.4～4.6 MPa，属软弱-坚硬岩层，老顶为砂岩，厚2～26 m；底板为泥岩及炭质泥岩，厚1 m左右，据5号煤层底板岩石力学性质试验，抗压强度8～64.8 MPa，抗拉强度0.2～2.4 MPa，属软弱-坚硬岩层。工作面北部为50204综采工作面采空区；南部为50202综采工作面，正在回采；西面为502采区4条大巷；东面为井田边界留设的保安煤柱；顶部2号、3号煤层现已采空。50203工作面回风巷沿采空区留设保护煤柱掘进。图1为工作面布置示意。

2 巷道围岩控制技术

2.1 支护方式

50203回风巷为矩形断面，掘进巷宽4.2 m，巷高3.2 m，掘进断面积为13.44 m2；沿煤层底板掘进；掘进方式采用综掘。原设计支护采用锚网索支护，其中锚杆采用D18 mm×2 000 mm左旋无纵筋螺纹钢树脂锚杆，锚杆托盘采用120 mm×120 mm×6 mm蝶型托盘，帮部4根/每帮、顶部6根，共14根，间排距800 mm×800 mm；锚索采用D15.24 mm、长度15 000 mm矿用锚索，每排2根，锚索托梁采用长度1 500 mm(12号矿用工字钢)，间排距1 600 mm×2 400 mm；配合使用H型梯子梁和铁丝勾花网。

图1 工作面布置示意

50203回风巷掘进时，受上覆岩2号、3号煤层采空区和临近50202回采工作面的采动影响，巷道出现不同程度的顶板下沉、破损掉渣、两帮挤压破损、底板鼓起、锚索拉断、锚杆凹陷等的情况。经研究，决定对支护方案进行优化，调整锚杆和锚索支护参数，改用高强端锚树脂锚固高强度锚杆和小孔径预应力锚索，代替原设计方案中的普通锚杆和锚索。

2.2 改进后的支护方式

2.2.1 锚杆、网片、钢梁

帮部和顶部均采用D20 mm×2 400 mm高强度左旋螺纹钢树脂锚杆，间排距为800 mm×800 mm，顶板6根、帮部5根/每帮，共16根，每根锚杆采用2支Z2360锚固剂进行端锚锚固，锚固力60 kN，扭矩力140 N·m，为了保证有足够的预应力，与150 mm×150 mm×10 mm蝶型托盘配套使用，外露长度20～50 mm。顶部和帮部均采用10号金属网，孔径100 mm×100 mm，规格2 000 mm×1 000 mm，搭接长度100 mm，每隔200 mm使用双层14号铁丝不少于拧两圈捆绑，钢带采用自制H型梯子梁，规格D14 mm×4 000 mm×100 mm。梯子梁对不平整的岩面有很强的适用性，可有效约束锚杆，同时方便工人进行安装施工。

2.2.2 锚索、钢梁

顶部锚索采用D21.6 mm×15 000 mm高强度低伸缩1×7标准型钢绞线组成的预应力锚索，加长锚固，锚固剂采用4支Z2360型和2支K2335型，锚固长度不小于3.5 m，锚固力不小于250 kN/根，间排距1 500 mm×1 000 mm，每排打设3根；钢梁采用长度4 200 m(12号矿用工字钢)，顺巷打设，配套三孔高强度锁具，锚索外露长度控制在150～250 mm范围内。

帮部锚索采用D21.6 mm×4 500 mm高强度低伸缩1×7标准型钢绞线组成的预应力锚索，加长锚固，锚固剂采用3支Z2360型，锚固长度不小于1.8 m，锚固力不小于200 kN/根，间排距1 000 mm×800 mm，每排打设3根；钢梁采用长度2 200 m(12号矿用工字钢)垂直顶板打设，配套三孔高强度锁具，锚索外露长度控制在150～200 mm范围内。

优化后的支护断面如图2所示。

3 支护效果分析

采用优化后的方案对后续掘进巷道进行了支护，为了考察优化方案的效果，50203回风巷掘进期间，在滞后工作面每隔50 m设置观察站，采用顶板离层仪和十字交叉法，对巷道两帮移进量和顶板下沉量进行定时观测，每7 d进行一次记录，连续观测30 d，观察结果如图3所示。

由图3可知，随着距掘进工作面距离的增大，巷道围岩变形量整体上呈现出先增加，后减小的趋势，工作面顶板下沉量及两帮移近量在距工作面300 m左右时数值最大，分别达到了105 mm和75 mm，之后围岩位移量逐渐减小并趋于稳定，实测数据充分表明了优化后的锚网索联合支护可有效控制巷道围岩变形。

4 结 语

针对庄旺煤业公司50203回风巷孤岛掘进工作面在原有支护方式下存在的巷道变形量大、锚索拉断、锚杆凹陷等问题，对支护方式进行了优化，经现场试验表明，采用优化后的支护方案后，巷道成型良好，顶板下沉量最大为105 mm，两帮移近量最大为75 mm，有效改善了巷道围岩的稳定，保障了矿井安全生产。同时在回采时锚索托梁和锚杆托盘均可以回收，大大降低了支护成本。

图2 联合支护断面(mm)

图3 掘进工作面巷道顶板和两帮位移变化曲线