2309 工作面顺槽巷道顶板支护优化研究

张亚飞

（晋能控股装备制造集团赵庄二号井，山西 晋城 048000）

1 工作面概况

赵庄二号井2309 工作面巷道布置如图1。23091 顺槽、23092 顺槽沿顶板留底煤掘进，煤层平均厚度4.6 m，煤层平均倾角3°。顺槽顶板由泥岩、砂质泥岩、粉砂岩及砂岩组成，结构较为复杂，顶板泥岩和砂质泥岩节理裂隙发育[1-3]。23091 顺槽、23092 顺槽顶板砂质泥岩平均厚度达到10.78 m，在两顺槽掘进期间，部分区域0.5～2 m 厚的顶板极为不稳定，破碎、离层严重，部分区域甚至发生冒顶。

图1 2309 工作面巷道布置图

2 围岩地应力测试

利用SYY-56 型小孔径水压致裂装置[4]进行地应力测试，测站位置：第一测站位于井底车场配风巷内，第二测站位于1304 外回风顺槽（13044 巷）内，第三测站位于东轨大巷，距离6#横川向里60 m 处。测试结果见表1。

表1 地应力现场测试结果表

三个测站的最大水平主应力范围为13.02～14.78 MPa，最小水平主应力范围为6.71～7.58 MPa，侧压系数在1.09～1.46 之间，在地应力量值上属于中等应力值区域，最大水平主应力方向均为北偏东方向。三个测站最大水平主应力均大于垂直应力，应力场类型为σH＞σV＞σh应力场。受最大水平主应力的影响，2309 工作面顺槽巷道顶、底板稳定性将差于两帮稳定性，要重点加强对顺槽巷道顶板的支护。

3 顺槽顶板支护设计优化

在顺槽顶板原支护参数基础上，对支护设计进行优化，23092 巷掘进进尺300～500 m 范围分布有陷落柱，导致此区域顶板破碎更为严重，因此将顺槽顶板支护优化分为常规区域优化和构造区域优化两类。

3.1 原顺槽顶板支护方式

顶板锚杆型号Φ22 mm×2400 mm，排距1200 mm，间距1000 mm，每排5 根。锚杆钻孔直径28 mm，锚固力不小于100 kN，预紧力矩不小于400 N·m。锚杆托盘规格为150 mm×150 mm×8 mm。顶板钢带宽度80 mm，长度4100 mm，由Φ14 mm 的钢筋焊接而成。护顶金属菱形网网片由10#铅丝编制而成，规格为4.7 m×1.3 m，网孔尺寸50 mm×50 mm。锚索采用1×19 股高强度低松弛预应力钢绞线，型号为Φ22 mm×6400 mm，排距2.4 m，每排2 根，锚索钻孔直径30 mm，预紧力不小于300 kN，采用300 mm×300 mm×16 mm 的高强度可调心托板及配套锁具。如图2。

图2 传统顺槽顶板支护方式示意图（mm）

3.2 顺槽顶板支护方式优化

1）常规区域顺槽顶板支护优化

顶板锚杆型号Φ22 mm×2400 mm，排距为1200 mm，间距为1000 mm，每排5 根。锚杆钻孔Φ28 mm，锚固力不小于100 kN，预紧力矩不小于400 N·m。锚杆托盘规格为150 mm×150 mm×8 mm。顶板钢带宽度80 mm，长度4100 mm，由Φ14 mm 的钢筋焊接而成。护顶金属菱形网网片由10#铅丝编制而成，规格为4.7 m×1.3 m，网孔尺寸50 mm×50 mm。锚索采用1×19 股高强度低松弛预应力钢绞线，型号为Φ22 mm×6400 mm，排距1.2 m，每排2 根，锚索钻孔直径30 mm，预紧力不小于300 kN，采用300 mm×300 mm×16 mm的高强度可调心托板及配套锁具。

2）构造区域顺槽顶板支护优化

23092 巷300～500 m 范围受陷落柱影响顶板破碎更为严重，此区域应提高支护强度。在优化后的常规区域顺槽顶板支护参数基础上，将锚杆排距由1200 mm 加密为排距1000 mm，锚索型号由Φ22 mm×6400 mm 优化为Φ22 mm×8400 mm，锚索排距由1200 mm 加密为排距1000 mm，其他参数不变。

优化后的顺槽顶板支护方式如图3。

图3 优化后的顺槽顶板支护方式示意图（mm）

3.3 支护效果模拟分析

采用FLAC3D软件对优化后的支护方案进行模拟分析。由图4 的顺槽垂直位移分布云图可知，采用优化的支护方案后，顺槽常规区域顶板最大下沉量为92 mm，顺槽构造区域的顶板最大下沉量为271 mm，顶板下沉量均能够保障顺槽的安全使用，说明优化后的支护方案能够有效控制2309 工作面顺槽顶板变形，可以进行现场试验。

4 现场试验效果

在23091 顺槽和23092 顺槽进行现场支护实践，并在23092 顺槽的常规区域以及300～500 m 构造区域内分别布设矿压监测测站分析巷道顶板下沉情况。

由图5 顺槽顶板下沉曲线可知，随着回采工作面距离测站越来越近，测站顶板下沉量逐渐增大。在顺槽常规区域，距离工作面24～153 m 范围顶板缓慢下沉，距离工作面7～24 m 范围顶板增速变形，距离工作面0～7 m 范围顶板下沉速度加快，最终顶板最大下沉量为85 mm。在顺槽构造区域，距离工作面65～153 m 范围顶板缓慢下沉，距离工作面25～65 m 范围顶板增速变形，距离工作面0～25 m 范围顶板下沉加快，最终顶板最大下沉量为289 mm。现场试验的顺槽巷道常规区域顶板下沉量较小，效果较好，构造区域顶板下沉量较常规区域有所增加，但最大下沉量仍在可控范围之内，能够保障顺槽巷道的安全使用。

图5 工作面回采期间23092 顺槽顶板下沉曲线

5 结论

通过围岩地应力测试得到了地应力分布情况，结合2309 工作面顶板砂质泥岩显著变厚的特点，对2309 工作面顺槽常规区域和构造区域的顶板支护设计进行了优化。现场应用表明，采用优化支护方案，顺槽常规区域顶板最大下沉量为85 mm，构造区域顶板最大下沉量为289 mm。顺槽常规区域和构造区域的顶板下沉量均在控制范围之内，未出现严重下沉、掉矸情况，表明优化后的顶板支护方案合理可靠，保障了2309 工作面回采期间顺槽的安全稳定，为类似条件顺槽支护设计提供了参考。