長平礦大斷面巷道耦合讓均壓支護技術研究

徐玉勝，孔宏偉

(1.晉城煤業集團，山西 晉城 048205；2.晉城煤業集團長平公司，山西 晉城 048205)

長平礦是晉城煤業集團的一座現代化大型礦井，現采3#煤層，核定生產能力為500萬t/a，回采工作面主要采用一次采全高采煤法，采高達5.5m。由于煤層瓦斯含量高及開采強度大，長平礦多采用采面一側兩條巷道同時掘出，在上一個工作面回采后，沿空留設一條巷道作為下一個工作面巷道。留設煤柱寬度55m。沿空留設巷道受上一個工作面動壓和側向支承壓力及下一個工作面超前支承壓力雙次動壓影響，巷道變形較大，經常需要起底、擴幫，浪費極大的人力、物力且影響大采高工作面回采速度。因此，探索一種新的支護方式，使掘出的工作面巷道后期維護工作量小，加快掘進速度，緩解采掘接替緊張具有重要的現實意義。

1 工程概況

1.1 地質概況

長平礦43081、43082巷位于3#煤層中，開采深度500m左右。3#煤直接頂為3.82m厚的泥巖，較易垮落，老頂為10.64m厚的中粒砂巖，直接底為9.85m厚的砂質泥巖。

1.2 巷道布置情況

43081、43082巷為長平礦4308工作面一側的兩條巷。43082巷將先后作為4308工作面回采時的回風巷及4310工作面回采時的進風巷，受二次動壓影響。巷道平面布置如圖1所示。

圖1 43082巷巷道布置示意圖

由于長平礦3#煤層煤體酥脆，巷道掘進留頂煤不利于頂板維護，因此，43081、43082巷掘進時沿煤層頂板掘進，初始掘進斷面5.6m×3.9m。然而由于底鼓的影響及工作面回采的需要，巷道掘進后在回采前需要進行二次起底，起底后巷道高度近5.5m，屬于超大斷面巷道。根據長平礦類似條件下的經驗，該類巷道在工作面回采過程中破壞嚴重，巷道維護困難。

1.3 43082巷原支護情況

43082巷原支護采用高強度錨桿、鋼筋托梁、金屬網組合支護系統，并使用錨索補強。錨桿、錨索排距1m。錨桿型號為MSGLW-500 22/2400，頂板每排5根，間距1.25m；巷幫每排每幫4根，間距1m。頂板鋼筋托梁型號為SB-16-80-5200-5，巷幫鋼筋托梁規格為SB-16-80-3200-4。錨索型號為SKP22×1/1720×6300，頂板每排3根，間距1.5m；巷幫每排每幫2根，間距1.3m。錨索均施工于兩排錨桿之間。

1.4 43082巷原支護存在的主要問題

由于43082巷原支護采用的是剛性支護，支護強度比較高，在巷道掘進期間，巷道受礦壓影響變形后仍然能夠滿足巷道使用要求，但根據長平礦類似條件下的情況，在4308工作面回采期間，43082巷頂板下沉、底鼓、兩幫收縮情況嚴重，在4310工作面回采前，43082巷必須進行起底、擴幫，頂板離層嚴重區域還必須進行挑頂處理，掘進成本大幅提高且影響4310工作面回采。同時，由于支護體變形不能較好的與圍巖變形相耦合，錨桿常在絲部附近、錨索常在距錨索托盤安裝部位1.1～1.5m處發生斷裂，給安全管理帶來不利影響。另外，由于巷道掘進時，一次支護頂板及巷幫施工錨索數量較多，影響掘進速度，從而導致采掘接替緊張。因此，必須找到一種經濟合理的支護方式，使其能夠適應高地應力、大變形圍巖條件下的巷道支護，減少巷道維修工作量，同時方便工程施工，又有利于掘進進尺的提高。

2 巷道整體耦合讓均壓支護技術

2.1 巷道整體耦合讓均壓支護概念

支護系統能達到有效的支護頂板的目的，必須使其能同時、協同均勻的支護圍巖，在確保圍巖穩定和允許一定變形的情況下，允許支護體在其屈服極限前有一定的讓壓性能，確保支護體變形和圍巖變形相耦合，充分發揮支護體的支護作用和巷道圍巖的自承載能力，這是巷道整體耦合讓均壓支護的關鍵[1-4]。整體耦合包含個體支護體和圍巖間的耦合及支護體之間的耦合[3]。

根據彈塑性力學基本原理，巷道圍巖保持穩定，需要支護體的應力、變形和圍巖的應力、變形相耦合。這就需要錨桿、錨索有足夠的強度和良好的延展性，避免圍巖壓力增大時過早破斷且能夠適應圍巖變形，同時，錨桿、錨索在安裝時必須施加足夠的安裝應力，用以控制巷道圍巖的早期變形[5]。

2.2 巷道整體耦合讓均壓支護實現途徑

要實現支護體對圍巖的讓均壓性能，必須使支護體具有良好的延展性，在高地壓、大變形的圍巖條件下，目前的材料難以實現；將支護體本身做成可變形結構，變形參數難以控制。因此，采用在保持支護體長度不變的情況下，在支護體上增加可變形附件—讓壓管，當錨桿、錨索由于圍巖的劇烈變形而產生較大的受力時，讓壓管能夠通過自身的讓壓變形使圍巖卸壓，從而調整錨桿、錨索的受力，使錨桿、錨索能夠適應巷道圍巖變形的發展[6]，達到支護體應力、變形與圍巖的應力、變形相耦合的目的。

由于錨桿、錨索本身材料的不同，造成錨索的延伸率要小于錨桿的延伸率。在礦山壓力作用下，低延伸率的錨索通常會首先發生破斷，單靠錨桿難以承擔對巷道圍巖的承載作用，隨著礦山壓力的繼續增大，圍巖變形加速，進而出現冒頂現象[7]。通過對長平礦多次巷道冒頂事故現場勘查發現，錨索斷裂數量要遠多于錨桿斷裂數量。因此，必須在讓壓距離上對錨桿、錨索進行調整，達到支護體對巷道圍巖的共同承載，從而實現均壓目的。

2.3 耦合讓均勻支護關鍵參數確定

2.3.1 錨桿、錨索長度確定

錨桿、錨索長度確定通常采用理論計算法、數值模擬法或工程類比法。長平礦多年來巷道頂、幫支護錨桿長度均為2.4m。正常巷道條件下，頂錨索長度為6.3m，幫錨索長度為4.3m，錨桿、錨索長度基本能夠滿足要求，但在受多次采動影響的巷道內，圍巖變形大。根據圍巖松動破碎圈理論結合巷道尺寸實際，決定將錨桿長度加長為2.8m，頂、幫錨索長度不變。根據工業試驗情況，決定錨桿、錨索長度是否再需要進行調整。

2.3.2 錨桿、錨索安裝應力確定

合理的安裝應力是控制圍巖早期變形的重要參數。安裝應力過小會使圍巖發生過大的早期變形，松散破碎圈增大，巷道過早出現頂板破碎、巷幫收縮[8]。安裝應力過大，錨桿、錨索安裝時費時較長，且錨索在漲拉時容易出現撥出現象。根據長平礦多年實踐結合現場施工情況，確定頂、幫錨桿安裝應力為40kN，頂錨索安裝應力為120kN，幫錨索安裝應力為100kN。

2.4 錨桿、錨索參數確定

根據以上分析，結合長平礦及類似條件下國內礦井巷道支護經驗，確定43082巷錨桿、錨索支護參數如下。

2.4.1 錨桿支護參數

頂、幫錨桿選用Φ20mm×2800mm高強應力顯示讓壓蛇形錨桿。桿體材料為Q500礦用高強螺紋鋼，錨桿安裝應力不小于40kN，安裝扭矩不小于200N·m。錨桿排距1m。

頂錨桿間距1000mm，錨桿屈服強度大于19t，抗拉強度大于24t。讓壓裝置為15-17TB單泡讓壓管，讓壓距離35mm。

幫錨桿間距1100mm，錨桿屈服強度大于16t，抗拉強度大于21t。讓壓裝置為12-15TB的單泡讓壓管，讓壓距離35mm。

錨桿托盤為150mm×150mm×10mm的高強球型托盤。頂板錨桿托盤安裝時配合頂板5300mm的W鋼帶使用；巷幫錨桿托盤安裝時，在靠近煤柱一側的上部兩根錨桿，錨桿托盤配合1500mm的W鋼帶使用，其余巷幫錨桿托盤與300mm×300mm×3.75mm鋼帶托盤聯合使用。

2.4.2 錨索支護參數

頂板耦合讓均壓鳥窩錨索長度6300mm，錨索直徑21.8mm，安裝應力120kN，讓壓裝置為26-30TB雙泡讓壓管，讓壓距離50mm。頂錨索排距1m，間距1.5m，每排3根。

巷幫耦合讓均壓鳥窩錨索長度4300mm，錨索直徑18.9mm，安裝應力100kN，讓壓裝置為21-25TB雙泡讓壓管。巷幫錨索僅煤柱側施工，排距1m，間距1.2m，每排2根。

錨索托盤為300mm×300mm×14mm 高強球型托盤。

2.5 支護方案確定

為了緩解采掘接替緊張，考慮到43082巷在掘進期間巷道變形不大，劇烈變形主要在4308工作面回采后及4310工作面回采期間。因此43082巷巷道支護分為掘進時支護方案與4308工作面回采后、4310工作面回采前加固方案兩部分。巷道掘進時支護方案如圖2所示。

圖2 巷道掘進時支護方案圖(mm)

加固方案采用在巷道頂板補打錨索，補打錨索后巷道頂板每排3根錨索。同時，在43082巷煤柱側每排施工2根幫錨索。巷道加固后支護如圖3所示。

圖3 巷道加固后支護圖(mm)

3 工作面巷道支護效果監測

3.1 巷道圍巖表面位移觀測

自采用讓壓錨桿、錨索支護的巷道端開始30m處布置第一個觀測斷面，然后向巷道掘進方向每50m布置一個觀測斷面，共布置3個觀測斷面。

根據3個觀測斷面監測數據分析，巷道支護后，圍巖和支護體組成的應力系統狀態處在不斷的調整變化中，在第15～16個監測日，巷道圍巖變形趨于穩定。三個觀測斷面中，第一個觀測斷面巷道收斂量最大，頂底板最大收縮量達58mm，兩幫最大收縮量39mm。第一觀測斷面巷道圍巖表面位移曲線如圖4所示。

圖4 第一斷面巷道圍巖表面位移曲線

3.2 錨桿、錨索受力狀態監測

在每個位移觀測斷面處均安設一組測站，每個測站安設3塊托盤式電子壓力表(頂板錨桿、錨索各一塊，煤柱側幫錨桿一塊)。使用時，將壓力表套在錨桿(錨索)托球和外錨頭的螺母(鎖具)之間，錨桿、錨索安裝合格后，記下壓力表初始值，以后每周觀測一次，直到讀數基本穩定為止。

通過對三組壓力表的數據觀測，發現錨桿、錨索在安裝后第四周，受力基本穩定。此時，錨桿(錨索)受力遠未達到其屈服極限130kN(400kN)。以第一組測站為例，錨桿、錨索受力曲線如圖5所示。

圖5 錨桿、錨索受力曲線圖

3.3 采動后巷道圍巖表面位移觀測

4308工作面回采30d后，通過對43082巷道讓壓支護段頂底板、兩幫距離進行測量，發現該段巷道頂底板收縮量在0.6～0.9m之間，兩幫收縮量在0.4～0.6m之間，巷道變形后的尺寸能夠滿足工程需要。同時，讓壓錨桿、錨索端部的讓壓管均出現不同程度的壓扁現象，體現出了良好的讓壓特性。

4 結 論

1)針對43082巷受大采高工作面雙次動壓影響，巷道維護困難情況，采用耦合讓均壓支護技術，巷道圍巖變形及支護體受力在經過一段時間后均趨于穩定。

2)通過采用將巷道支護方案分為掘進時支護方案和回采前加固方案的模式，既達到了巷道支護及留巷二次使用的目的，又保證了巷道掘進速度，有利于緩解采掘接替緊張局面。

3)根據試驗巷道礦壓觀測結果和宏觀效果證明，選用的支護方案，達到了巷道支護及留巷二次使用的目的，對該煤礦及同類條件下其他礦井的巷道支護具有一定的指導意義。