高應力千米埋深綜掘煤巷全錨索支護技術研究

房萬偉 李 洋 陳業強

(內蒙古福城礦業有限公司, 內蒙古 鄂爾多斯 014217)

隨著巷道埋深超過1000m，原有支護方式無法滿足現場支護強度需求。為減少巷道變形，確保后期安全開采，2018年8月份長城二礦開始對1907S運輸巷進行支護改革。通過初始設計—實施設計—礦壓觀測—修改初始設計四個步驟，確定了合理的支護參數，加強巷道頂板管理，提高巷道支護強度。經過1030m的支護試驗，頂底板及兩幫變形量均滿足設計要求，實現了安全、快速、高效掘進。

1 工程概況

1907S運輸巷設計長度1010m，巷道對應地面標高為+1252～ +1257m，底板標高為+240～+320m，巷道埋深約937m～1012m。采用EBZ-230綜掘機沿9上煤頂板掘進。

掘進巷道位于9層煤內，9層煤分上下分層，分層夾矸為粉砂巖，厚0.18～1.4m，實際揭露平均厚度0.68m。其中9上煤，厚1.3m～0.9m，平均1.10m；9下煤，結構復雜，含2～3層夾矸，厚2.45m。9上煤頂板為灰巖，9上煤頂板實際施工過程中近600m存在泥巖偽頂，平均厚度0.45m，其上灰巖實際揭露厚度1.1～1.7m；再上為砂質泥巖，實際揭露0.5～1.7m；再上為粉砂巖，厚9.35m。9層煤底板為細砂巖，厚4.2m；再下為10煤，厚0.66m。

2 支護設計

2.1 巷道斷面及支護方式

巷道凈寬×中凈高=4.5×3.5m，S荒=16.9m2，S凈=15.7m2。

巷道采用前探梁臨時支護，頂板采用錨索帶網支護，兩幫采用錨帶網進行支護。具體如下：頂板錨索采用1×19結構鋼絞線制作，規格為Φ17.8mm×L4200mm，配“W”鋼帶及鋼塑復合網支護，錨索間排距1200mm×1500mm。兩幫采用MSGLD-600(X)等強螺紋鋼式樹脂錨桿（Φ22mm×L2400mm）配“W”鋼帶及雙向拉伸塑料網支護，上幫錨桿間排距1300mm×1200mm，下幫錨桿間排距1000mm×1200mm；錨桿托盤規格145mm×145mm×10mm。

2.2 支護參數選取依據

2.2.1 錨索的長度計算

L=La+Lb+Lc+Ld

式中：

L-錨索總長度，m；

La-錨索深入到較穩定巖層的錨固長度，取1.5m；

Lb-需要懸吊的不穩定巖層厚度，掘進中不穩定巖層最厚為2.2m；

Lc-上托盤及錨具的厚度，取0.15m；

Ld-需要外露的張拉長度，取0.2m。

L=La+Lb+Lc+Ld=1.5+2.2+0.15+0.2=4.05m

考慮一定的安全系數，且根據計算取頂板錨索長度L=4.2m。

2.2.2 錨索排距計算

B=n×Q/（K×S×Y）

式中：

B-錨索排距，m；

n-每排錨索的根數，取4；

Q-錨索的極限承載力，取379×0.8=303kN；

K-安全系數，取1.5；

S-頂板冒落的面積，m2；

S=0.5×h×H（其中h為潛在冒高，H為巷道寬度，h=1.5H=1.5×4.7=7.05m）

Y-煤巖體容重，取25kN/m3。

得：B=1.95m＞1.5m

結合計算，類比鄰近巷道，并考慮一定的安全系數，確定支護設計為頂板錨索采用1×19結構鋼絞線制作，規格為Φ17.8mm×L4200mm，錨索間排距1500mm×1500mm以內均符合要求。具體支護設計圖見圖1。

3 全錨索支護配套的五項實用技術

3.1 臨時支護裝置優化

巷道前期采用4寸圓管作為前探梁，因錨索外露150～250mm，導致吊環長度過長，前探梁無法接頂。為此設計使用M鋼帶桁架梁代替吊環。每根前探梁使用M鋼帶桁架梁懸掛在頂板錨索上，桁架梁全長1.5m，按照錨索間距割眼并加工擋塊，防止前探梁管子滾動。通過錨索錨具將桁架梁固定在錨索上，拖住前探梁，吊掛牢固，確保臨時支護接頂有效可靠[1]。新型全錨索臨時支護前探梁固定圖如圖2所示。

圖1 巷道全錨索支護設計圖

圖2 新型全錨索臨時支護前探梁固定圖

3.2 頂板鋼帶尺寸及外露長度優化

前期頂板使用“W”鋼帶規格為4300×280×3mm， 孔 距 1300mm， 端 部預留200mm。現場施工時，使用規格為300mm×300mm×16mm的錨索托盤后，托盤超出鋼帶端部，在漲緊過程中，因直接接觸頂板鋼塑復合網，導致頂板網破壞。為此把鋼帶端部預留長度由200mm更改為350mm，確保了頂板鋼帶對網的保護，杜絕了肩窩網兜的產生，同時增加了有效支護面積。

3.3 錨索托盤尺寸優化

通過試驗進一步優化錨索托盤尺寸，把原有規格為300mm×300mm×16mm（單價85.13元/個）調整為規格為200mm×200mm×12mm（單價36.33元/個）。在確保支護強度的前提下每個托盤節約了支護成本48.3元。

3.4 試驗注漿錨索對頂板進行注漿加固

因1907S運輸巷后期沿空留巷，為此設計把巷道頂板靠上幫的Ф17.8×4200mm錨索調整為Ф21.6×6200mm注漿錨索（預計11月下旬試驗）。嚴格按照沿空留巷設計位置、角度打設，確保切縫后仍能夠滿足支護注漿要求。待爆破切縫后通過頂板注漿，把破碎離層頂板重新膠結成整體，增加懸臂梁結構頂板的自承力和完整性[2]。

3.5 設計綜掘機液壓系統漲緊錨索

為提高錨索漲緊速度，前期使用風動錨索漲拉器，后期研究從綜掘機液壓系統接入錨索漲拉器，通過綜掘機液壓系統實現錨索快速漲緊。

4 支護效果及經濟效果分析

4.1 支護效果分析

為對比全錨索支護的效果，在錨桿支護及不同支護參數的全錨索支護巷道，分別設立一組圍巖觀測點，每個觀測點5組測點，采用十字布點法進行布設，在頂板安設離層儀、兩幫各安設3個錨桿測力計。每隔10d進行一次數據采集分析，通過線性回歸，選取在誤差范圍內的數據繪制變化曲線[3]。

4.1.1 前期錨桿支護情況分析

采用錨桿支護頂板時，巷道變形大。110d內頂底板下沉量呈線性增長，120d后趨于平穩，頂底板下沉量平均最大達到127mm。0～80d內巷道兩幫移量近呈線性增長，80d后兩幫移量平均達到95mm后開始趨于穩定，最大變化量99mm。0～60d內巷道底鼓量近呈線性增長，60d后底鼓量平均達到45mm，最大底鼓量49mm。具體變化曲線見圖3。

圖3 全錨桿支護巷道頂底幫移近量變化曲線

4.1.2 頂板全錨索支護情況分析

采用不同間排距的頂板全錨索支護頂板時，巷道變形較小。50d內頂底板下沉量、兩幫移近呈線性增長，50～60d內趨于平穩，此時處于錨索伸縮預應力階段，60～80d后趨于穩定，頂底板下沉量平均最大達到77mm。40d內巷道兩幫移量近呈線性增長，60～70d內趨于平穩，此時處于頂幫受力重新分布階段，100d后趨于穩定，兩幫移量平均達到64mm后開始趨于穩定，最大66mm。70d內巷道底鼓量近呈線性增長，70～100d內趨于平穩，此時處于頂幫受力重新分布階段，100d后趨于穩定，底鼓量平均達到42mm。后開始趨于穩定。具體變化曲線見圖4。

圖4 全錨索支護巷道頂底幫移近量變化曲線

通過對比分析，使用全錨索支護頂板比全錨桿支護頂板，頂底板下沉量減少65%，兩幫移近量減少50%，底鼓量減少16.7%。

4.1.3 不同支護參數的頂板全錨索支護設計分析

在保證巷道變形量最小的情況下，盡可能降低材料費用投入及人工投入，為此進一步優化支護參數，通過采取不同間排距全錨索支護頂板進行對標分析，最終確定最優設計參數[4]。具體變化曲線見圖5。

圖5 頂底板下沉量變化曲線

通過對比分析，當頂板錨索間排距為1.2×1.5m時，巷道頂底板下沉量最小，經濟對比更合理。為此最終確定巷道全錨索支護參數為頂板錨索間排距為1.2×1.5m。

4.2 經濟效果分析

（1）1907S運輸巷通過支護設計優化結合理論計算，頂板支護由高強錨桿間排距1000×1200mm，調整到錨索支護間排距1200×1500mm，延米材料費用降低202.81元/m，巷道總體支護成本降低29.3萬元。

（2）與錨桿支護相比，錨索支護進度未減少。因錨桿全部施工在灰巖中，打眼速度明顯降低，錨索孔通過相同距離的灰巖后進入泥巖，打眼速度明顯提高。通過現場比對，頂板打安5棵錨桿與打安4棵錨索時間基本一致，從而確保了施工進度。

5 結束語

在高應力、大埋深條件下，采用頂板全錨索支護可以降低巷道頂底板移近量、兩幫移近量及巷道底鼓量，五項配套技術確保了巷道頂板錨桿支護向全錨索支護的順利過度。通過現場應用及后期數據分析證明全錨索支護參數滿足順槽巷道在回采期間的安全，為相似條件下巷道施工提供了借鑒。