超千米強沖擊厚煤層深井支護技術的研究與應用

侯志凱　陳湘寧　孫帥　馬軍杰

摘 要：新河煤礦730采區采深已超過-1000m，局部采深已突破-1100m，主采3煤厚9.68～10.3m，平均厚度10.07m，依據2015年3月《新河礦業有限公司-980m水平3煤及其頂底板沖擊傾向性鑒定報告》，新河煤礦-980m水平3煤屬于強沖擊傾向性的煤層。為解決千米深井強沖擊厚煤層支護難題，利用安裝載荷數值模擬及井下支護實踐結合，采用耦合讓均壓錨桿+耦合讓壓錨索+金屬網+W鋼帶聯合支護，解決了千米深井強沖擊厚煤層支護難題。

關鍵詞：千米深井;強沖擊;厚煤層;耦合讓均壓支護

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.22.035

1 礦井概況及采礦地質條件概述

新河煤礦位于山東省濟寧市嘉祥縣東南部。北臨淄礦集團唐口煤業，是山東能源淄礦集團主力生產礦井之一。礦井采用立井多水平開拓方式，設計生產能力90萬t/a，第一水平-400m，第二水平-980m。目前，礦井主要開采第二水平的3層煤，井田內構造復雜，斷層多，地壓大，煤層有強沖擊傾向性。

2 730采區面臨的支護難題及存在問題

2.1 730采區面臨的支護難題及存在問題

目前，730采區巷道埋深已達到-1000m水平，局部已掘巷道埋深達到-1150m，通過下井勘察和調研發現存在以下難題：

（1）巷道埋深大（-1200m左右），地應力高，從礦井延深的三條開拓大巷勘察發現，巷道圍巖條件差，造成巷道底鼓嚴重，兩幫位移，噴體開裂，巷道多次擴修，工程量增加。

（2）煤層厚度大，煤3平均厚度10m，煤層硬度不均，節理裂隙發育，施工中兩幫較破碎，巷道片幫嚴重。

（3）礦井構造復雜，斷層多，煤炮多，煤層有強沖擊傾向性。

（4）頂板壓力大，有時存在斷錨桿、錨索或者錨索拉穿鋼帶現象。

2.2 730采區支護方案設計要重點考慮的問題

針對以上難題，本次730采區支護方案設計要重點考慮以下幾個方面問題：

（1）巷道埋深大（1200m左右），地應力高，必須提高巷道支護強度：工作面按受一次動壓的影響考慮。

（2）煤層裂隙較發育，煤層破碎，表面支護是關鍵，護表強度需要加強。

（3）煤層具有強沖擊傾向性，必須考慮支護系統的釋能、吸能特性，提高支護系統的抗沖擊性能。

（4）從現場勘查和理論計算可以看出，巷道支護強度需要增加。

2.3 深井支護設計的關鍵點

（1）支護系統的支護強度：由于煤層巷道和支護系統將經歷高地壓和超前支承壓力的影響（煤層還有強沖擊傾向性），從巷道采用釋能、吸能整體耦合讓均壓支護理念及采用高強、高沖擊功的高強螺紋鋼材料著手，提高材料的抗沖擊功。因此要求巷道的支護系統應具有足夠的支護強度來適應巷道的地質與采礦條件。

（2）支護系統的安裝載荷（預緊力）：預緊力是錨桿實現主動支護的源泉，這是巷道支護成功最關鍵的因素之一，支護系統在安裝時，必須有一定的安裝載荷以防止圍巖的早期變形破壞。否則將會造成巷道圍巖產生大面積失控變形，支護系統失效，巷道變形嚴重。而預緊力必須是實際作用在錨桿上的安裝應力，必須科學合理設計錨桿的安裝載荷。

（3）支護系統的可變形性及讓壓性：通過井下觀測，深井工作面順槽受動壓影響，會發生明顯變形。深井巷道圍巖變形包括兩部分，一部分是不可控制的變形，支護系統必須具有讓壓變形功能以讓掉“不可控制”的變形，然而這種讓壓必須是控制讓壓，如果不可控讓壓，支護系統將會失效。也就是說，支護系統在一定的支護強度下緩慢讓壓，而不是自由讓壓后支護系統才起作用。所設計的支護系統要適應工作面順槽的動壓和大變形的特點，保證支護系統的有效性。

（4）抗沖擊性：由于3層煤及頂底板均具有沖擊傾向性，所以要求錨桿系統要有一定的抗沖擊能力，通過錨桿的釋能裝置和提高錨桿桿體原材料沖擊功來適應沖擊地壓的特點。

（5）錨固力：由于煤體的節理裂隙發育，煤體的強度低，可錨性較差。必須改進錨桿、錨索的結構，在保證不影響現場施工的前提下保證錨固力滿足設計要求。

（6）表面控制措施：由于礦井埋深大，地應力高，煤體松軟，再加上煤體本身的垂直節理和裂隙就比較發育，工作面順槽掘進時很容易出現片幫。為此必須及時支護順槽兩幫并提高順槽表面的支護強度。合理的表面控制措施要求護表構件不僅要有合理的剛度和護表面積，而且要求其抗彎性能要好。

3 新河煤礦支護工況設計

在新河煤礦730采區順槽地質、開采條件下，應根據受采動影響的次數，確定順槽所受的支撐壓力系數，計算深度應該等于埋藏深度乘以支撐壓力系數。由于新河煤礦3煤煤厚為10m，順槽掘進為托頂煤施工，因此，按托頂煤進行設計。

3.1 730采區順槽托頂煤掘進、回采期間讓壓工況點

在730采區順槽掘巷期間，主要受深井地應力和煤層賦存條件的影響，支護的耦合工況點往往變化不大。因此，深井高地應力考慮方式是在上述公式中把垂直應力增加1.0倍。根據這個原則，在采深接近-1200m時，巷道寬度4500mm情況下，支護耦合設計曲線如圖1。

圖1可以看出，掘進期間“三維支護工況點”為：

支護強度（錨桿）：1380KN/m;圍巖表面位移（耦合距離）：40mm;松散范圍：1800mm。

730采區順槽不僅受高地應力和煤層賦存條件的影響，還受本工作面超前支承壓力影響，二次影響時，支撐壓力系數取1.5，根據這個原則，在采深1200m，巷道寬度4500mm情況下，支護耦合設計曲線如圖2。

圖2可以看出，回采期間“三維支護工況點”為：

支護強度（錨桿+錨索）：2100KN/m;圍巖表面位移：60mm;松散范圍：1800mm。

4 730采區支護方案設計

4.1 730采區順槽托頂煤期間支護方案設計

根據730采區工作面順槽地質采礦條件及托頂煤理論工況點，支護方案選用如下參數：

（1）頂、幫錨桿參數：

錨桿類型：釋能高吸收功應力顯示錨桿;間排距：1000×1200mm;桿體直徑：22mm;錨桿的長度：2600mm;桿體材料：HY500高吸能桿體;桿體材料指標：屈服強度>19t，抗拉強度>26t，延伸率>20%;安裝載荷：4-6t，施工安裝扭矩不小于300N·m;托盤：150×150×10mm高強球型托盤，承載力大于33噸;表面支護：焊接網+W鋼帶;W鋼帶：材質Q345b，規格280×2.75×4300mm，五孔，孔間距為1000mm;釋能讓壓裝置：釋能讓壓點15-17t，載荷顯示4-6t。

頂板錨桿總支護強度：總屈服支護強度：79t/m;最大支護強度：108t/m。

（2）頂板錨索：

錨索類型：釋能防沖錨索;錨索直徑：21.8mm;破斷強度57t;錨索長度：正常段錨索長度8200mm;錨索安裝載荷：≥15t;釋能裝置：釋能點26-30t;高強JM托盤：200×200×12mm，與JM錨索梁配套使用;JM錨索梁：3000×330×5mm;錨索布置：工作面順槽（寬4.5m）錨索按三三三布置。排拒1200mm。

頂板錨索支護強度：

掘進期間支護強度：142.5t/m;回采期間支護強度：142.5t/m;幫部錨索參數：無。

頂板實際總支護強度：

掘進期間：221.5t/m，安全系數為1.6（錨桿按照屈服強度）;回采期間：221.5t/m，安全系數為1.05（錨桿按照屈服強度）。

5 結束語

本支護方案已在新河煤礦730采區多條巷道使用，有效解決了斷錨桿、斷錨索現象，使用的錨桿、錨索及讓壓裝置均為高沖擊功材質材料，讓壓裝置有效緩解了巷道變形造成的支護體系破壞情況的發生。