深部傾斜煤層動壓巷道圍巖控制技術研究

李民族，趙利安

(1.山西霍州煤電集團公司，山西 臨汾 031400；2.遼寧工程技術大學 礦業學院，遼寧 阜新 123000)

目前世界上主要礦業大國相繼進入深部開采，超過1000m的礦井已有100余座，而我國2015年全國千米深井已達80余座，并且還以每年10～25m的速度向下延伸[1]。我國中東部地區的煤炭開采逐漸向深部、向復雜地質構造地區轉移，大傾角煤層的開采比例越來越大[2]。鑒于深部傾斜煤層開采巷道壓力增加，給支護與開采帶來了很大的困難，眾多學者進行與之有關的研究[2-10]。劉建剛[3]等運用理論計算和數值模擬，研究了煤層傾角和巷道形狀的變化對巷道兩幫應力特性的影響。王野[4]對急傾斜巷道收斂變形、頂板離層等支護效果情況及錨桿(索)錨固力進行了長期監測，結果表明在急傾斜煤層賦存條件下，采用錨網索支護是可行的。胡少軒[5]分析了大傾角煤層巷道工程地質特征，建立了梯形截面巷道圍巖應力-變形分析的力學模型。王新杰等[6]對大傾角煤層巷道圍巖應力分布和變形破壞進行的研究表明，大傾角煤層巷道開挖后巷道變形表現為非對稱性，對大傾角煤層巷道應加強低幫中部、高幫煤巖交界處的支護強度和重視靠近低幫側的頂底板支護。俞家新[9]介紹了垞城煤礦采用疊加應力技術、非對稱變形控制技術、耦合支護技術及二次支護技術對深部大傾角含水巷道進行支護的經驗。包云龍，王學紅[7]，王凱[8]和李琰慶等[10]也進行了這方面的研究。上述研究，大部分研究深部開采或者大傾角煤層開采兩者之一，兩者兼顧的成果還缺乏。而深部傾斜煤層開采時受地質和工作面接續的影響，常常也會出現孤島工作面，盡管諸多學者如任力[11]、陳威[12]和劉會強[13]等在孤島面巷道支護和設計方面進行了研究，但是深部、大傾角和孤島工作面三者同時出現情況的巷道支護的研究迄今為止還沒有發現。

1 工程背景

龐龐塔礦主采5號和9號兩層煤，目前礦井分布2個采區，其中一采區開采5號煤，七采區開采9號煤。龐龐塔礦5號煤層平均厚度為6.3m，煤層傾角為12°～30°。頂板為砂質泥巖，厚度2.5m，底板為粉砂巖，厚度7.3m。5號煤強度在15MPa左右，根據煤礦錨噴巷道頂板穩定性評判準則，屬于Ⅳ穩定性較差巖層。5-107孤島工作面開采煤層埋藏深度600m左右，煤層平均厚度6.3m，平均傾角25°。一采區5-107工作面以東的5-105工作面都已回采完畢，以西的5-109工作面還剩1個月回采結束。根據采掘整體安排，需盡快開采一采區的5號煤，準備開始掘進5-107工作面，該面為孤島工作面，如圖1所示[14]。

5號煤回采巷道采用錨網索的支護形式，頂錨桿采用?22mm×2500mm屈服強度335MPa的左旋無縱筋螺紋鋼錨桿，幫錨桿采用?22mm×2500mm或?20mm×2000mm屈服強度335MPa的左旋無縱筋螺紋鋼錨桿，網采用12#鐵絲編織而成的菱形金屬網，該支護方式在埋深較大的巷道，經常出現頂板和兩幫有嚴重網包、頂板鋼帶多處壓穿、錨桿和錨索破斷、底鼓嚴重的現象，巷道需要大量的刷幫起底等返修工作，嚴重影響了工作面的正常推進。而且，5-107工作面開采的5號煤層，煤層傾角12°～30°，厚6.3m，巷道沿煤層底板掘進，埋深大，超過600m，且巷道受側向工作面采空產生的高集中應力和動壓影響，預計巷道支護難度非常大。迫切需要研究巷道圍巖控制技術，研發相配套的支護材料，確保巷道在服務期間不發生大變形，保障回采工作面安全、高效開采。

圖1 5-107工作面布置

2 巷道現有支護存在的問題

2.1 支護材料

2.1.1 錨桿錨索托板

錨桿配套?130mm×8mm拱形托板，錨桿托板形狀為圓形，在井下經常出現錨桿托板壓翻的現象，導致錨桿的支護能力不能得到充分發揮，同時錨桿托板與螺母為線接觸，降低了預緊扭矩與預緊力的轉化效率，導致錨桿預緊力低。

錨索配套350mm×350mm×16mm平托板，托板尺寸過大，托板無法與調心球墊相配套，托板易剪切錨索；錨索平托板受力較小就易發生弓背現象，承載面積減小，制約錨索預應力傳遞擴散范圍。

2.1.2 錨桿強度不足

巷道在回采期間出現多處錨桿破斷的現象，斷口有頸縮，主要呈拉伸破壞，說明巷道變形壓力大，錨桿的強度偏低，不能有效的控制巷道的變形。

2.1.3 W鋼帶

W鋼帶寬和厚為180mm×2mm，根據當前礦用鋼帶頒布標準，結合井下使用情況，存在以下缺陷：①鋼帶規格不符合標準規格，標準規格為寬度為200mm、240mm、280mm三種。②鋼帶厚度過小，井下發現多條鋼帶出現撕裂破斷，說明在巷道壓力現象強烈的巷道中使用，該厚度鋼帶強度嚴重不足。

2.2 技術參數方面

技術參數主要是錨桿錨索預應力不足。原設計時，頂錨桿預緊力要求不小于200N·m，幫錨桿預緊力要求不小于180N·m。這主要存在問題是預應力水平相對較低，對于綜放大斷面托頂煤巷道，屬于困難支護巷道類別，要求錨桿設置預應力水平至少達到其使用材料桿體屈服載荷的30%以上[15]。錨索使用?21.6×8300mm的7股低松弛鋼絞線，根據工程實踐，錨索預緊力設置需要根據巷道支護難度，以及使用錨索的強度來綜合確定。對于留頂煤大斷面煤巷而言，要求錨索預應力至少達到極限強度的40%以上[16]。另外，工作面大傾角因素使得支護體受剪切力大，也亟需選用高強度的錨桿及附件來支護回采巷道。

3 巷道支護優化設計

3.1 支護新材料設計

3.1.1 新型錨桿托板

新型錨桿托板選用屈服強度大于或等于195MPa的普板鋼材，錨桿托板整體為正方形，中部成拱形，托板的外形尺寸為150mm×150mm，厚度為10mm。新型托板被做成可調心托板，配套調心球墊，避免托板在工作過程中受到偏載的作用，降低了托板的承載能力。

3.1.2 新型錨索托板

研發的新型方形帶拱錨索托板，需符合以下加工標準：①選用屈服強度大于或等于235MPa的普板鋼材，托板整體為正方形，中部成拱形，托板的外形尺寸為300mm×300mm，厚度為16mm，托板承載力應不小于與之配套索體破斷力標準值的0.9倍。②需要將托板做成可調心托板，配套調心球墊，避免托板在工作過程中受到偏載的作用，降低了托板的承載能力。

3.2 巷道支護新技術設計

針對深部傾斜煤層綜放孤島面大斷面巷道支護難題，提出采用及時高預緊力、強力錨桿錨索、強護表構件和強幫支護的耦合支護技術。

3.2.1 及時高預緊力支護

巷道圍巖受到開挖破壞，圍巖應力由三向轉化成二向，并且重新分布形成新的平衡穩定狀態，淺部圍巖處于最不穩定狀態，那么就需要通過具有高承載能力的錨桿，初期提供高主動支撐力抵御或者控制淺部圍巖變形，使淺部圍巖形成自身穩定的承載整體，進而控制深部圍巖的變形破壞，達到控制巷道穩定的目的[17]。

3.2.2 強力錨桿錨索支護

在5-109工作面和5-105工作面兩巷就已出現了很多錨桿破斷的情況，可以預計5-107孤島面動壓巷道的變形壓力會遠大于上述普通深部巷道，錨桿錨索的受力程度也會加大。因此，現有的錨桿強度不滿足要求，為了適應動壓巷道的變形情況，需要引進延伸率和承載能力更高的?21.8mm的19股鋼絞線組成的錨索。通過引進新型強力錨桿錨索，提高錨桿錨索的預緊力和支護阻力，提高巷道支護強度，控制巷道變形。

3.2.3 強護表構件支護

單純的錨桿和錨索支護范圍有限，需要通過護表構件把錨桿錨索的預緊力和支護阻力傳遞到更遠處的圍巖中，護表構件的強度和剛度在很大程度上決定錨桿錨索支護效果，深部傾斜煤層綜放孤島面動壓托頂煤大斷面巷道支護對護表構件的要求高，如果護表構件強度和剛度不足，甚至會導致整個支護系統失效，巷道出現不可控的大變形[18]。考慮深部傾斜煤層孤島面動壓巷道在掘進時就可能出現圍巖松散破碎的情況，W鋼帶貼頂效果不好，采用強度和剛度較高，同時對圍巖條件適應性好的W鋼護板配套寬鋼筋托梁和8#鐵絲的金屬網作為護表構件。

3.2.4 強幫支護

煤層受動壓影響后變得松散破碎，再加上巷道埋深大，變形持續時間長，會導致幫部移近量極大，嚴重時甚至兩幫閉合。幫部移近量大進一步導致巷道底鼓嚴重，幫部移近與底鼓相互促進，巷道維護困難。因此需要加強巷道幫部支護體強度，保持幫部煤體完整性，減少幫部回縮，從而減少由于兩幫移近造成的巷道底鼓[19]。在幫部采用高強長錨桿配套W鋼護板和寬鋼筋托梁支護，提高預緊力與支護阻力的擴散范圍，必要時在幫部打設幫錨索，最終在錨桿支護范圍內形成剛度較大的預應力承載結構，限制深部煤體的變形，減少幫部移近。

3.3 巷道支護參數

3.3.1 5-1071巷斷面支護優化設計

5-1071巷斷面設計矩形斷面，掘進毛寬5.2m，毛高3.6m，掘進斷面18.72m2。頂板支護方案：頂板錨桿長度增加0.1m，變為2.4m，材料改為左旋無縱筋螺紋鋼筋，鋼材屈服強度提高到500MPa。錨桿托板采用方形帶拱高強度托板，規格為150mm×150mm×10mm，拱高不低于34mm，配調心球墊和減摩墊圈。錨桿排距調整到900mm×900mm。頂板采用?16mm鋼筋焊接的寬鋼筋托梁配套W鋼護板，長5050mm，寬200mm，孔間距900mm。采用?16mm鋼筋焊接的寬鋼筋托梁配套W鋼護板，長5050mm，寬200mm，孔間距900mm。錨桿預緊扭矩不低于400N·m。網片規格：采用10#鐵絲編織的菱形金屬網護頂，網孔規格為50mm×50mm，網片規格為5400mm×1000 mm。

錨索材料為?21.8mm，1×19股高強度低松弛預應力鋼絞線，長度6.3m，鉆頭直徑為30mm，樹脂加長錨固，采用一支CK2340和兩支Z2388樹脂錨固劑。錨索采用每排三根布置，排距1800mm。錨索安裝在兩排錨桿間頂板中部。用300mm×300mm×16mm拱形高強錨索托板，拱高不低于60mm，配調心球墊，錨索張拉預緊力為250～300kN。

巷幫支護方案為：幫錨桿桿體為22#左旋無縱筋螺紋鋼筋，鋼材屈服強度為500MPa，長度2.4m，配高強度螺母。采用方形帶拱高強度托板，規格為150mm×150mm×10mm，拱高不低于34mm，配調心球墊和減摩墊圈。W鋼護板規格：厚度4mm，寬280mm，長度450mm。采用?16mm鋼筋焊接的寬鋼筋托梁配套W鋼護板，長3550mm，寬200mm，孔間距900mm。錨桿預緊扭矩：不低于400N·m。網片規格：采用10#鐵絲編織的菱形金屬網護幫，網孔規格為50mm×50mm，網片規格為3500mm×1000mm。

錨索形式和規格：錨索材料為?21.8mm，1×19股高強度低松弛預應力鋼絞線，長度4.3m，鉆頭直徑為30mm，樹脂加長錨固，采用一支CK2340和兩支Z2388樹脂藥卷錨固。錨索布置：煤柱側幫采用每排1根布置，排距1800mm。距底板1800mm。錨索安裝在兩排錨桿中間。用300mm×300mm×16mm拱形高強錨索托板，拱高不低于60mm，配調心球墊。錨索張拉預緊力為200～250kN。

3.3.2 5-1072巷斷面支護優化設計

5-1072巷斷面設計矩形斷面，掘進毛寬4.5m，毛高3.6m，掘進斷面16.2m2。頂板支護方案為：頂板錨桿桿體為22#左旋無縱筋螺紋鋼筋，長度2.4m，鋼材屈服強度為500MPa，配高強度螺母。托板采用拱型高強度托板，規格為150mm×150mm×10mm，拱高不低于34mm，配調心球墊和減摩墊圈。采用單體錨桿配W鋼護板，規格為厚度4mm，寬280mm，長度450mm。錨桿排距調整到1000mm×1000mm。錨桿預緊扭矩不低于400N·m。錨索錨索材料為?21.8mm，1×19股高強度低松弛預應力鋼絞線，長度6.3m，鉆頭直徑為30mm，樹脂加長錨固，采用一支CK2340和兩支Z2388樹脂錨固劑。錨索采用“二·一·二”布置，排距2000mm。用300mm×300mm×16mm拱形高強錨索托板，拱高不低于60mm，配調心球墊，錨索張拉預緊力250～300kN。

2巷幫支護：錨桿桿體為22#左旋無縱筋螺紋鋼筋，鋼材屈服強度為500MPa，長度2.4m，桿尾螺紋為M24，螺紋長度150mm，配高強度螺母。錨固方式為樹脂端部錨固。錨桿托板采用拱型高強度托板，規格為150mm×150mm×10mm，拱高不低于34mm，配調心球墊和減摩墊圈。W鋼護板規格：厚度4mm，寬280mm，長度450mm。錨桿間排距1000mm×1000mm。錨桿預緊扭矩不低于400N·m。

4 支護優化礦壓監測及分析

4.1 5-1072巷礦壓監測及分析

為驗證支護設計的科學合理性，以及為支護設計修正與優化提供依據，在5-1072巷設置了礦壓綜合監測測站，包括巷道表面位移、頂板離層、錨桿及錨索受力。錨桿測力計編號從右幫、頂板至左幫依次為1#、2#、3#…9#，共安裝9組，錨索測力計編號為索A和索B，共安裝2組，如圖2所示。

圖2 5-1072巷錨桿錨索測力計布置(掘進方向)

5-1072巷掘進期間錨桿錨索受力監測結果如圖3所示。由圖3可知，兩幫錨桿工作載荷隨著遠離掘進面而呈現增長的趨勢，在距迎頭較近范圍(50m內)呈增大趨勢，掘進超過50m后錨桿工作載荷由微小增幅到穩定狀態，距迎頭120m時分別增加到102.58kN、167.16kN、152.65kN、168.22kN，分別占桿體屈服載荷的54%、88%、80%、89%。巷道右幫上部兩根錨桿初始工作載荷分別為90.55kN和89.55kN，占桿體屈服載荷的47%；左幫上部兩根錨桿初始工作載荷分別為92.41kN和104.89kN，占桿體屈服載荷的49%和55%。副巷兩幫4根平均錨桿初始預應力達到了桿體屈服的50%，實現了高預應力主動支護。圖中顯示，頂錨桿的預緊力在40kN左右，錨桿工作載荷隨著遠離掘進工作面位置呈逐漸增大的趨勢，在距掘進迎頭較近范圍(50m內)表現出穩中有升的特征，超過50m之后錨桿受力逐步由微小增幅到趨于穩定狀態，至掘進面100m位置，增加至100kN左右。

圖3 5-1072巷掘進期間錨桿錨索受力監測結果

錨索A和5#、4#錨桿掘進受力突變的原因是巷道頂板巖層在重力作用下發生移動和變形，產生較大的離層，引起了錨桿錨索受力突然增大。

受到臨近采空側支承壓力的影響，巷道兩幫礦壓現象尤為突出，從錨桿工作阻力檢測數據也證實了理論分析的正確性，對于受到強烈動壓作用的巷道，特別加強兩幫的支護強度至關重要。副巷采用高預應力強力支護有效控制了兩幫圍巖的活動，確保了巷道整體的穩定。

頂板兩個錨索的預緊力分別為94kN和124kN，錨索受力也隨著遠離掘進工作面而呈增大的發展趨勢，在距測站50m范圍，錨索受力呈較大增幅然后漸漸呈緩慢增長事態，超過50m后呈微幅增長特征，距掘進迎頭120m位置，錨索工作阻力分別為293kN和248kN，距掘進工作面240m時錨索受力基本保持穩定，在300kN左右。

在5-1072巷距開口300m、350m、410m、500m設置4個表面位移監測測站，分別編號為1#、2#、3#、4#，如圖4所示，隨著掘進時間推移兩幫保持穩定狀態，這說明5-1072巷優化設計后，巷道兩幫沒有變形，表明支護效果良好。

圖4 5-1072兩幫移近量

4.2 5-1071巷礦壓監測及分析

5-1071巷共安裝8個錨桿測力計和5個錨索測力計，測點布置如圖5所示，監測結果如圖6所示。

圖5 5-1071巷掘進方向錨桿錨索測力計布置(mm)

圖6 5-1071巷掘進期間錨桿錨索受力監測結果

由圖6可知，5根頂錨桿(圖中D1～D5)預緊后1根預緊力為75kN，另4根為38kN～47kN，測站安裝5d之內(掘進40m)左右，頂錨桿受力持續增加，頂錨桿受力均達在60kN以上，兩根超過130kN，之后保持穩定。3根幫錨桿(ZB1，YB1和YB2)預緊后初始受力為60kN、77kN和82kN，測站安裝5d之內(掘進40m)左右，幫錨桿受力均超過80kN，之后幫錨桿受力基本平穩。

頂錨索和幫錨索預緊后初始受力在94～110kN，從錨索受力來看，安裝后第二天錨索受力急劇增加，隨后受力不再明顯增加。5根錨索終受力3根在200kN以上，1根在190kN，另有一根在130kN，從分布來看，頂錨索受力明顯大于幫錨索。

由于5-1071巷中間400m巷段成型欠佳，在該巷段安裝多處巷道兩幫移近測站，監測結果如圖7所示。由圖7可知，巷道兩幫移近量在390～480mm，掘進頭推過15d之內兩幫移近急劇增加，15d之后仍有增加，30d之后巷道變形仍在增加，但變形速度明顯降低。動壓影響巷道變形持續時間較長，長時間得不到穩定。

圖7 5-1071巷兩幫移近曲線

巷道離層監測顯示，巷內最大頂板離層量最大為38mm，大部分離層監測均大于30mm，由于頂板為煤層，受動壓影響較為破碎不易成型，所以離層值普遍較大。局部巷道底鼓量在400～500mm之間。

掘進過程中，巷道現場支護及變形實際情況相較于過去5#煤回采巷道的錨網索的支護形式，新支護方式未出現以往的頂板和兩幫嚴重網包、頂板鋼帶多處壓穿、錨桿和錨索破斷、底鼓嚴重等現象，巷道也無需進行大量的刷幫起底等返修工作。巷道的主要變形發生在頂幫夾角處，巷道圍巖表面整體變形處于可控范圍之內。

在地質條件正常地段，由于5-107工作面兩巷支護效果較好，回采期間超前影響段巷道變形量不大。同時，由于有超前支架的支護作用，巷道變形主要表現為底鼓，底鼓量在600mm左右，在超前工作面70m位置頂板和幫部開始出現變形，巷道變形量增加緩慢，在超前工作面20m處頂板下沉量為160mm，在回采面位置兩幫移近量在400mm左右，巷道支護效果較好，滿足了工作面正常回采的需求。

5 結 論

1)研發尺寸為150mm×150mm×10mm的高強度方形帶拱錨桿托板和尺寸為300mm×300mm×16mm的高強度方形帶拱錨索托板，分別與?22mm的屈服強度500MPa螺紋鋼錨桿和?21.8mm19股錨索配套，有利于提高錨桿錨索的預緊力，提高錨桿錨索主動支護圍巖的能力，有利于實現錨桿錨索要施加高預緊力的目標。

2)提出深部傾斜煤層綜放孤島面高應力集中區動壓托頂煤大斷面巷道成套支護技術：及時高預緊力、強力錨桿錨索、強護表構件和強幫支護的耦合支護技術。

3)確定了5-1071巷和5-1072巷巷道支護參數，并進行了兩巷礦壓監測及分析，結果表明：巷道變形較小，優化設計后巷道圍巖表面整體變形處于可控范圍之內。