摘要：钱家营煤矿1684W工作面回风顺槽位于采空区下方，巷道压力较小，现有支护密度较大，支护强度不高。通过现场勘察以及对相应地质矿压资料的分析，提出优化设计方案，使用新方案支护后，锚杆锚索施加较高的预紧力，有效控制围岩的变形，巷道支护强度明显增高；锚杆间排距变大，在提高掘进速度的同时，使支护材料节省15%以上。
1巷道基本情况
钱家营煤矿1684W工作面回风顺槽倾斜上方为1683W工作面已回采完毕，倾斜下方为2882W设计工作面，上覆2871W、1673W工作面已回采完毕，下伏煤层无工程。1684W工作面回风顺槽完全位于采空区下方，服务期间仅受巷道掘进及本工作面回采动压影响，巷道条件相对简单。1684W工作面回风顺槽设计走向长度为1147m，设计净宽度4.2m，高度2.7m，其所属煤层为稳定的中厚煤层，走向变化不大，倾角有一定的变化，为半亮型煤，阶梯状断口，硬度大，局部有1-2层泥岩夹矸。
煤层顶底板岩石性质和特征如下：
①老顶：灰色细砂岩，厚度3.6-5.77米，成份以石英为主，泥硅质胶结，层面含碳质及植物随屑碳化体。
②直接顶：深灰色粉砂岩，厚度0-4.5m，平均2.0m，质胶结，致密，呈水平灰色小条带状，上部有0-0.5m不稳定煤线。
③直接底：深灰色粉砂岩，厚度1.15-4.6m，平均2.3米左右，致密，块状，含菱铁质结核，近煤处含植物根化石。
④老底：深灰色粉砂岩，厚度1.0-3.17m，平均2.1m，致密，块状，较细腻，贝壳状断口，岩石较破碎。
⑤伪顶：灰褐色粉砂-粘土岩，厚度0-0.4m，平均0.2m，岩性细腻，松散易冒落。
2支护参数确定的原则
①一次支护原则。锚杆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。
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。
③“三高一低”原则。即高强度、高刚度、高可靠性与低支护密度原则。
④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。
⑤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互匹配，锚杆与锚索的参数与力学性能应相互匹配，以最大限度地发挥锚杆支护的整体支护作用。
⑥可操作性原则。提供的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。
⑦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。
3巷道原有支护方案及支护效果
1684W工作面回风顺槽掘进初期，采用锚杆锚索联合支护的方式，具体支护参数为：顶部5根锚杆锚杆排距为900mm，间距900mm，顶部2根锚索排距1800mm，间距1600mm；两帮各3根锚杆，间距1000mm，排距900mm；锚杆采用22#左旋无纵筋螺纹钢筋，材质为HRB335，长度2.4m，顶部锚索直径φ17.8mm，长度5300mm。在此种支护方式之下，巷道中锚杆受力大小如图1。
在原有支护方案下，巷道掘进在平均10天以后，锚杆受力才趋于稳定，并且锚杆受力自安装以后增加明显，锚杆初始受力较小，说明施工过程中对于锚杆施加的预紧力不足，不能有效控制围岩变形。另外，在锚杆受力稳定后，其受力大小基本在6t以下，说明巷道本身压力较小，此时使用22#左旋无纵筋螺纹钢筋作为锚杆材料，不能充分使用锚杆本身力学特性，显然是对支护材料的浪费。
4优化后支护方案及支护效果
针对原有支护存在的问题，根据现场实地勘察，并通过对1684W工作面回风顺槽地质资料以及矿压数据的分析，提出了以下支护方案：顶部使用4根锚杆，排距1000mm，间距1200mm，顶锚索采用“大三花”布置，排距2000mm；帮部锚杆排距1000mm，间距1000mm；要求锚杆预紧力不得低于300Nm，锚索初次张拉不得低于180kN，损失后不低于150kN；锚杆采用20#左旋无纵筋螺纹钢筋，材质为HRB335，长度2.0m，顶部锚索直径φ17.8mm，长度5300mm，具体布置图，如图2。
反映了1684W工作面回风顺槽在掘进过程中锚杆受力情况。受力曲线反映的锚杆受力情况虽大小不一，但是锚杆初次施加预紧力后，受力很快保持稳定（平均在5天以内），说明锚杆设计的预紧力值比较合理，可以有效的控制围岩变形，充分发挥了主动支护的作用，增加了巷道支护的强度；顶部锚杆受力较大，锚杆受力一般在60kN左右，最大不超过75kN，充分利用了Φ20锚杆的抗拉性能，又可以保证巷道安全，真正做到了支护设计的优化；锚杆受力与优化前相比，除顶锚杆受力有一定增加，其他无特别明显变化。
1684W工作面回风顺槽设计净宽4.2m，高2.7m，从图4可以看出，巷道掘进完成后变形较小，掘进影响稳定后巷道宽度均在4.2m以上，巷道高度控制在2.5m以上能够满足生产需求，说明巷道支护强度设计可以满足巷道掘进要求。
由于锚杆锚索施加了较高预紧力，优化后的支护设计能更有效控制围岩变形，增加了支护强度；另外优化后的设计不仅增加了锚杆的排距，而且将锚杆长度由2.4m减小为2.0m，顶部锚杆由5根变为4根，使支护材料节省15%以上，为巷道支护节省了大量成本的同时，由于排距的增大，有效提高了巷道掘进速度。
5主要结论
①1684W工作面回风顺槽位于采空区下，采空区下巷道位于应力降低区，采空区下巷道其本身所受矿山压力较小，所需支护强度也相对较小。②预应力在锚杆支护中起到关键作用，高预应力是保证巷道支护效果，有效控制巷道围岩变形的重要手段。通过给锚杆锚索施加较高的预应力，可有效的控制巷道变形，保证支护效果。③巷道支护密度大，并不代表巷道支护强度高，优秀的支护设计是充分利用各种支护材料的性能，通过合理的核心参数选择，保证巷道安全，提高掘进速度并且节省支护材料。
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