魏正茂
(1.山西煤炭运销集团忻州有限公司，山西 忻州 034000；2.山西煤炭运销集团科学技术研究有限公司，山西 太原 030006)
引 言
在河东煤田忻州区域，11#上和11#下煤层，或11#和12#煤层为近距煤层，层间距范围多为1.5 m～3.5 m，且上组煤和下组煤均为中厚煤层，煤层厚度小于1.8 m，矿井地质条件和地质力学性质简单。工作面巷道支护采用矿井初步设计或经验，导致工作面巷道支护过强或不够，甚至巷道支护理念落后，支护优化空间较大，支护优化工作显得尤为必要[1-4]。本文以隆安煤业11#下组煤层作为研究对象，对其地质力学性质进行分析，并对比现有支护情况对其问题进行分析，以优化其支护方式及参数。
1 11305工作面回风顺槽围岩地质条件
隆安煤业目前开采8#煤层和11#煤层，8#煤层剩余资源不多，11#煤层为主采煤层。11#煤层分为2层，从目前巷道揭露情况看11#上组煤厚度1.2 m～1.7 m，11#下组煤厚度1.8 m～2.6 m；11#上组煤与11#下组煤平均层间距为2.0 m；11#下组煤厚度总体呈由东向西、由北向南逐渐变厚的趋势。
11#下组煤北部为三采区大巷，南部为原废弃民采平硐采空区，东部为实体煤，局部受采动破坏，西部为11305工作面，11301工作面与11305工作面净煤柱为30 m。11305工作面回风顺槽为11#煤层第二个工作面回风顺槽，设计走向长度1 118 m，沿11#下组煤层顶板掘进，地面标高1 024 m～1 102 m，工作面标高910 m～932 m，埋深90 m～170 m，地表起伏较大。图1为工作面布置示意图。
图1 11305回风顺槽布置图
煤岩层情况，11#下组煤，黑色，条带状结构，块状构造，厚度1.61 m；直接顶为泥岩，泥质结构，块状构造，厚度1.84 m；之上为11#上组煤，黑色，条带状结构，块状构造，厚度1.5 m；之上为泥岩，黑色，泥质结构，块状构造，厚度1.0 m；之上为粉砂岩，灰白色，粉砂质结构，块状构造，厚度3.95 m；之上为泥岩，黑色，泥质结构，块状构造，厚度6.72 m；之上为中砂岩，灰白色，中粒结构，块状构造，厚度4.97 m。11#下组煤直接底为泥岩，泥质结构，块状构造，厚度2.68 m；之下为中砂岩，灰白色，中粒结构，块状构造，厚度10.32 m。
构造情况，11305工作面回风顺槽可能受断层影响较多，该掘进工作面无岩浆岩体侵入、陷落柱等其他地质构造。水文地质情况，11305工作面回风顺槽正常涌水量50 m3/h～80 m3/h，最大涌水量180 m3/h。瓦斯情况，属氮气-沼气带。
对井下使用的锚杆进行了拉拔试验，试验地点在11301工作面运输顺槽，顶板进行了3根锚杆拉拔试验，锚杆锚固力均能达到要求。
2 工作面地质力学测试与分析
在11301工作面运输顺槽距开口150 m和200 m位置进行了顶板7 m范围内的岩层结构窥视和强度测试，同时，在200 m位置帮部进行了煤体结构窥视。
2.1 围岩结构观察
由11301工作面运输顺槽距开口150 m顶板岩层窥视结果可知，顶板0 m～2 m为砂质泥岩，完整性较好；2.0 m～3.7 m为11#上组煤，完整性较好；3.8 m～6.1 m为砂质泥岩，在4.9 m处有裂隙，其余位置完整性较好，局部含有泥岩夹层。
由11301工作面运输顺槽距开口200 m顶板岩层窥视结果可知，顶板0 m～1.4 m为砂质泥岩，完整性较好；1.4 m～3.1 m为11#上组煤，完整性较好；3.1 m～7.0 m为砂质泥岩，岩层整体较完整，在5.0 m处有裂隙，局部含有泥岩夹层。
由11301工作面运输顺槽距开口200 m帮部煤体窥视结果可知，煤帮0.3 m处有横向裂隙；1.0 m～1.4 m处有纵向裂隙；1.6 m～3.0 m煤层完整；3.1 m～4.6 m为泥岩，帮部煤体整体完整性较好。
对上述钻孔窥视进行分析，窥视结果与矿上提供的柱状图有差别，以现场窥视结果为主要依据；11301工作面运输顺槽距开口150 m和200 m处顶板窥视结果有所差别，在150 m处的窥视结果中，5.3 m～5.8 m处有明显的泥岩夹层，而在200 m处窥视结果则没有，说明顶板岩层条件变化较大；11#下组煤直接顶为砂质泥岩，完整性好，在支护范围基本没有裂隙，有利于锚杆、锚索预紧力和支护阻力扩散，且厚度在2 m左右，建议锚杆长度选择2.4 m，锚索长度选择5.3 m。
2.2 围岩强度测试
采用WQCZ-56型围岩强度测试装置在顶板钻孔内进行了6.1 m范围煤岩层的强度测试，在帮部钻孔进行了强度测试。顶板围岩强度测试结果为顶板0 m～2 m为砂质泥岩，强度平均值为90.61 MPa；2.1 m～3.7 m为11#上组煤，强度平均值为22.10 MPa；3.8 m～6.1 m为砂质泥岩，平均强度值为83.92 MPa。煤帮强度测试结果为11#下组煤，平均强度值为19.02 MPa。
从顶板岩层强度测试结果可以看出，11#下组煤直接顶砂质泥岩，强度为90.61 MPa，有利于锚杆预紧力和支护阻力的扩散，结合围岩窥视结果分析，该岩层自身承载能力好，有利于保持巷道顶板稳定；11#下组煤煤体强度较高，为19.02 MPa，易保持巷道帮部稳定。
3 现有支护情况及问题分析
3.1 当前支护情况
以与11305工作面回风顺槽相似的11301工作面回风顺槽为例，说明巷道的支护情况，该巷道宽度4.5 m，高度2.6 m。图2为11301工作面回风顺槽支护示意图。
图2 11301工作面回风顺槽支护图(mm)
从图2中可以看出，顶锚杆间排距为1 100 mm×1 000 mm，每排4根，中部2根锚杆垂直于顶板施工，边角顶锚杆与顶板呈80°角；选用20 mm×2 200 mm圆钢锚杆，1个CK2360锚固剂；托盘选用150 mm×150 mm×8 mm拱形高强度托盘；顶板锚杆的扭矩不小于100 N·m；锚索选用15.24 mm×7 000 mm七股钢绞线，二二布置，间排距为1 800 mm×2 000 mm；3个锚固剂，1个CK2360，2个K2360；采用300 mm×300 mm×14 mm高强度托盘，锚索预紧力不小于100 kN。非回采侧帮圆钢锚杆，16 mm×1 200 mm；回采侧帮玻璃钢锚杆，20 mm×2 200 mm，圆钢锚杆预紧力矩不低于80 N·m；顶部选用6.0 mm单层钢筋金属平焊网，帮部不铺网。
3.2 支护存在的问题
1) 支护材料方面，顶板采用20 mm×2 200 mm圆钢锚杆，承载能力119.4 kN；锚杆托板，锚杆配套150 mm×150 mm×8 mm方形带拱托板，不配套调心球垫和减摩垫片，托板的拱形高度设计偏低，试验得出托板承载能力在92 kN～99 kN，与直径20 mm圆钢锚杆强度不配套；不配套调心球垫和减摩垫片，预紧扭矩与预紧力转化系数低，锚杆主动支护能力差，当锚杆与巷道围岩表面不垂直时，容易被托板口卡住；锚索托板，锚索配套300 mm×300 mm×14 mm方形平托板，该托板存在明显的弊端，托板为平钢板，承载力差，应改为拱形托板，提高托板承载能力；托板孔小，无法与调心球垫配套，当锚索施工质量差，与顶板不垂直时，托板容易剪切锚索。
2) 技术参数方面，顶板锚杆预紧力矩不小于100 N·m，顶板预应力水平相对较低。由于顶板条件好，且巷道为实体煤巷道，不受采动影响，巷道基本没有变形，锚杆预紧力小、主动支护效果差的缺点没有暴露，当巷道地质条件变化支护困难时，如果不提高锚杆预紧力，锚杆布置参数相同时巷道支护效果将有明显差别；顶板角锚杆没有垂直顶板打设，与铅锤线有10°～15°夹角，导致顶板角锚杆形成的预应力场和中部锚杆形成的预应力场相分离。
3) 施工机具和矿压监测方面，锚索张拉采用手动张拉机具；锚杆没有专门风动或液压预紧机具，导致锚杆预紧力矩低；没有系统地进行过锚杆、锚索受力测量，不清楚锚杆、锚索的工作状态。
4 11305工作面巷道支护
以11305工作面回风顺槽为例，说明11305工作面巷道支护方式。11305工作面回风顺槽矩形断面，沿11#下组煤顶板掘进，掘进宽度4.5 m，高度2.6 m，掘进断面积为11.7 m2。
顶板支护，锚杆18 mm左旋无纵筋螺纹钢筋，长度2 400 mm，螺纹长度120 mm～150 mm，杆尾螺纹为M20；树脂加长锚固，1支CK2360树脂药卷，28钻头；高强锚杆螺母M20，方形带拱托板，配套调心球垫和1010尼龙垫圈，150 mm×150 mm×8 mm；6.0 mm钢筋网护顶，4 500 mm×1 200 mm；锚杆排距1 100 mm，每排4根锚杆，间距1 100 mm；锚杆预紧扭矩不低于200 N·m，但不能超过400 N·m；锚杆全部垂直顶板安装，考虑到施工需要，允许有5°误差。锚索17.8 mm，长度5 300 mm，28钻头，3支树脂药卷，2支K2360，1支CK2360；300 mm×300 mm×14 mm方形带拱锚索托板，配套调心球垫。承载能力不低于400 kN，托板拱高不低于60 mm；二一布置，排距2 200 mm，锚索初始张拉力200 kN。
非工作面侧帮，锚杆16 mm圆钢锚杆，长度1 200 mm，1支K2360树脂药卷；方形带拱托板，配套调心球垫和1010尼龙垫圈，150 mm×150 mm×8 mm；预紧扭矩80 N·m。
工作面侧帮，锚杆20 mm，长度2 200 mm，玻璃钢锚杆，1支K2360树脂药卷，预紧力矩40 N·m。
5 结论
当近距离煤层厚度小于2 m，巷道围岩地质力学性质比较简单时，巷道支护方式表现为支护强度较大，另一种表现为支护强度不够。本文以隆安煤业11301和11305工作面为例，11301工作面巷道支护方式相对落后，存在相当大的优化空间，从支护材料、支护方式、组合构件、预紧力等方面对11305工作面巷道进行了优化，充分发挥了锚网主动的支护作用，确定了隆安煤业相对合理的巷道支护方式。该研究对推动隆安煤业巷道支护技术的发展具有积极的作用。
