優化支護設計在深井開采巷道圍巖控制技術中的應用

文/王振海 吳文哲

黑龍江龍煤礦業集團雞西分公司東海煤礦井田東西走向11km，南北傾向3km，井田面積33km2。井田內斷層發育縱橫交錯，褶曲現象頻繁出現，地質構造非常復雜。東海礦五采區為礦井四個主要采區之一，五采區32#煤層現已開拓延伸至四水平底部，距地表垂直深度已達1100多米，東海礦現處在典型深井復雜地質條件的開采階段，井巷掘進及回采期間礦壓顯現異常，通過對五采32#層左十二路采面上回風順槽錨網索鋼帶聯合支護理論分析與實踐，在深井開采礦壓顯現日趨劇烈情況下，不斷優化高強度錨桿、錨索、金屬網、“W”鋼帶聯合支護設計與材料選型，32#層右十一采面回風順槽通過優化支護技術參數和斷面設計成功控制巷道圍巖大變形，取得了一定成效，保證了安全生產。

一、深井礦壓顯現原因分析

礦井進入深部層開采后，由于煤巖層自重壓力的增大，巷道主要表現在巷道圍巖變軟，圍巖面易發生爆裂，巷道圍巖三向受力狀態發生改變，加上深部層開采頂板壓力變大，造成巷道圍巖的擠壓破壞。隨著擠壓破壞向深部層發展，引起煤巖體裂隙擴張和體積膨脹，造成巷道煤巖層彎曲變形。彎曲拉應力逐漸變大，導致巷道頂板、巷幫煤巖體的破壞，尤其回采工作面上回風順槽受工作面超前動壓與上部沿空采空區殘余應力釋放疊加的影響，造成巷道變形嚴重、巷道斷面的收縮量急劇增大，嚴重影響到礦井的安全生產。

二、煤層自然狀況

五采區32層煤層厚度平均1.5m，煤層傾角 15°，煤質硬度為 f=1.0～1.5，煤層中部含 2～3層20～30mm厚夾矸，偽頂為0.2～0.6m厚度不等的砂質頁巖及泥質頁巖，直接頂為細質砂巖、泥頁巖、炭質砂巖，厚度5～6m，層理發育抗壓強度低，松軟、易破碎，巖性不穩定。

三、巷道工程概況

五采區32#層左十二路采面上回風順槽埋深1020m，工作面開切眼185m，上回風順槽走向660m，沿煤層頂板掘進施工，與左十一路采空區留設5m寬區段煤柱。左十二路采面回風順槽礦壓觀測回采期間工作面超前動壓影響范圍已達150m范圍，巷道圍巖變形嚴重地段在工作面超前50m范圍，巷道兩幫移近量最大達2.0m，頂底收縮量達1.5m，嚴重制約和影響了安全生產。

四、優化支護方案設計

1.原32層十二路采面回風順槽巷道支護參數

錨桿參數：錨桿采用20MnSi左旋無縱筋預應力螺紋鋼，直徑∮18mm；長度1800mm；采用樹脂錨固，錨固長度700mm，錨固劑：CK2335樹脂錨固劑兩卷。設計錨固力90KN：預緊力70KN：錨桿矩形布置每排4根，間排距：1000mm×1000mm；金屬蝶形托盤：規格 120×120×8mm。 錨索：直徑∮15.24、1860低松弛鋼絞線、長度7.2m、靠上幫單排布置，間距2.0m。“W”鋼帶：規格3200×280×35mm，厚度 2.75mm。 金屬網：10# 鍍鋅鐵線；菱形金屬網規格：3200×1500×35mm；網孔尺寸45×65mm。幫錨桿支護規格：∮35mm管縫式錨桿，長度 1600mm；間排距 700×700mm。

根據錨桿支護的剛性梁理論，通過錨桿的高預緊力使錨桿長度范圍和錨桿長度以上的頂板離層得以消除，使頂板形成一個“剛性”梁體，提高頂板整體的抗剪強度，使水平應力對頂板剪切破壞不向頂板縱深發展，頂板的垂直壓力被轉移到巷道兩側煤體內，為使巷道兩側煤體壓力減小，巷道兩側錨桿支護要與鉛垂線保證一定角度，使錨固端錨在幫部穩定巖層中，增加錨桿與頂板的剛性梁長度，使巷道壓力向煤體深部轉移，緩解巷幫角應力的破壞，減小巷道兩側煤幫壓力。增加錨桿長度后，盡量使錨桿深入到穩定巖層中，保證剛性梁足夠厚度，使其具有較高的承載能力。

通過使用KBD5電磁輻射監測儀，利用煤巖體受不同壓力后其內部電磁輻射波發生不同變化的電磁理論，在32層左十二路采面掘進及回采期間，找出采面掘進與回采時巷道壓力電磁強度與頻率變化峰值的大小，為下一步確定32層右十一路采面巷道支護參數與材質選型奠定基礎。

根據以上理論和電磁輻射儀電磁強度的預測，決定對32右十一采面回風順槽巷道支護參數、支護材質等加以修改，控制深井開采巷道圍巖劇烈變化。

2.修改后32層右十一路采面回風順槽巷道支護參數

錨桿參數：錨桿采用20MnSi左旋無縱筋預應力螺紋鋼，修改直徑為∮22mm長度22mm；采用樹脂錨固，錨固長度700mm，錨固劑：CK2335數值錨固劑兩卷。設計錨固力120KN；錨桿矩形布置每排4根，間排距改為：1000mm×900mm；金屬蝶形托盤：規格 120×120×8mm。

錨索補強支護：錨索改為直徑∮18.7mm高強度低松弛鋼絞線，長度7200mm，外露長度控制在不大于350mm，張拉預緊力控制在60～80KN，矩形布置：間排距1800×2000mm。每孔裝入5根樹脂錨固劑固定，型號為 MSK2335、MSZ2335，每孔眼底裝入1根MSK2335，外側用4根MSZ2335，錨固力不低于200KN/根，托盤用長度300mm、寬度200mm、厚度 5mm 槽鋼。 “W”鋼帶：規格：3200×280×35mm,厚度2.75mm。金屬網：10#鍍鋅鐵線；規格：3200×1800mm；網孔尺寸 45×65mm。 幫錨桿支護規格；修改為∮20mm高強度螺紋鋼高桿：長度 1800mm，間排距：600×600mm。

對32層左十二路采面上回風順槽巷道支護設計修改后，通過增加錨桿直徑與支護密度，提高錨桿承載強度，加大錨桿預緊力的基礎上，同時還增加錨索直徑，加大錨索支護密度，提高頂板整體剛性承載強度。幫錨桿支護由管縫式改為高強度螺紋鋼錨桿，并且還增加了幫錨固長度與支護密度，有效控制了松軟煤巖體大的變形對安全生產的影響。

32層右十一路采面上回風順槽在正常回采期間，通過對巷道的礦壓觀測，修改后的支護基本上控制住了巷道的收縮變形，保證了安全生產。

五、結論

東海煤礦在深井開采特殊地質條件下，通過合理的選擇巷道支護技術參數，積極采用先進的支護工藝，在支護材料選型上積極探索與實踐，研究制定出錨桿、索、金屬網、鋼帶聯合支護技術，同時制定出安全質量檢查與頂板動態監測規范與標準，保證了錨桿、索、網、鋼帶的施工質量與安全。