動壓煤巷大直徑高預應力支護技術研究與應用

王玉中

（陽泉煤業（集團）有限責任公司一礦，山西 陽泉045008）

陽泉煤業（集團）有限責任公司一礦（全文簡稱一礦）始建于1956年7月21日，井田面積83.6 km2，現地質儲量5.83億t，可采儲量3.36億t，開采15號煤，礦井核定生產能力850萬t/a。礦井采用主斜井副立井開拓方式，現布置有18個井筒，13個進風井5個回風井。井下布置3個生產采區，4個準備采區，共布置3個綜采放頂煤工作面和2個拆除工作面，布置7個綜掘工作面和5個普掘工作面。一礦為高瓦斯礦井，絕對瓦斯涌出量為312.14 m3/min，相對瓦斯涌出量為20.5 m3/t。一礦15號煤層為Ⅲ類不易自燃煤層，煤塵無爆炸性。近年來，隨著煤礦開采深度不斷增加和高效礦井的建設，礦井產能不斷提升，隨著帶來動壓巷道的不斷增多，給巷道支護質量和快速掘進帶來很多課題，這類巷道在采動影響下變形嚴重，現有普通鋼鉸線錨索支護效果較差，對煤礦的安全構成威脅。為解決動壓巷道支護難題，陽煤一礦在81404工作面回風巷進行了巷道布置和支護技術綜合研究。

1 巷道基本情況

1.1 巷道概況

81404工作面回風巷，地面位于紅簡溝以東，楊家峪村以南，巨溝以西，老虎山以北。地面有高壓鐵塔及電力線穿過。井下位于本采區81402回采工作面（已回采）以南，本工作面低抽巷（正在掘進）以北，十四采區東回風巷以東，本采區東部采區邊界以西。本工作面為綜采放頂煤工作面，巷道布置在15號煤層中。回風巷在回采時，用作工作面專用通風、行人、進料等，是沿15號煤基本頂掘進的半煤巖巷。回風巷設計長度（從采區回風巷算起）為1 637 m。

1.2 煤層頂底板情況（見表1）

表1 煤層頂底板情況表

2 動壓煤巷問題分析

一礦以往回風巷煤柱留設為20 m，由于回風巷為動壓影響巷道，且布置在下層煤體中，主要采取1×7股的21.6 mm錨索進行支護，回風巷受采空側的動壓和應力影響，煤體極易變化成松軟破碎煤體，周圍圍巖承載結構變差，造成巷道頂幫和底板均劇烈變形。通過對多個動壓回風巷礦壓觀測分析，動壓影響的回風巷在回采期間基本有100~300 m不等的范圍，其中150 m范圍內影響劇烈，變形明顯，對安全生產的影響較大。在局部劇烈變形段，頂板下沉，底鼓量大，兩幫位移嚴重，巷道斷面高度僅為1.8 m，寬度僅為2 m。在支護上，有大量錨索破斷，鋼帶變形破壞，需要的端頭及超前支護強度巨大，大量單體柱進行密集維護，對通風、行人造成極大的安全隱患，需要浪費大量人力進行維護。巷道變形對巷道的布置和支護提出了很高的要求，需要在掘進期間進行充分分析和補強支護設計。

3 煤柱留設及巷道布置

煤柱寬度需要考慮沿空巷道圍巖物理力學特性、圍巖應力場、圍巖位移場、圍巖塑性破壞區等。使煤柱和沿空巷道有效避開各種應力影響范圍，尤其要避開峰值應力區；使沿空巷道圍巖塑性破壞范圍較小，保證巷道圍巖自身的承載特性，防止局部破壞較嚴重影響圍巖錨固承載結構的形成;從經濟和效益角度優先考慮小煤柱掘進，同時高瓦斯易破碎煤層考慮采空區漏風、瓦斯治理等問題；滿足現場安全高效生產需求，回風巷掘進期間需要皮帶運輸、局扇通風、行人、軌道運料等。

參考煤柱寬度的確定應綜合考慮側向支承應力、煤柱及巷道穩定性、回采期間巷道圍巖變形量、現場采空區漏風、高瓦斯等條件。根據我礦以往留設8 m、10 m和15 m等不同煤柱的對比論證，不同煤柱存在多個個性問題，從安全角度和經濟成本分析各有差別，主要為存在采空側瓦斯滲透和釋放，造成的瓦斯治理難題；還有采空區的探放水影響較大。經過綜合分析，結合現場施工情況，回風巷將煤柱寬度定為12 m，巷道沿煤層頂板掘進。

4 支護方案

4.1 頂板支護

頂板采用“主錨索+補強錨索+鋼帶+經緯金屬網”聯合支護。排距1 000 mm，間距940 mm，鋼帶使用BHW-940-280-4-5100的6眼W鋼帶；錨索布置方式：從左往右在鋼帶3、5眼布置補強錨索，其余眼布置主錨索。主錨索使用Φ21.8 mm×4 200 mm的錨索，補強錨索使用Φ21.8 mm×6 200 mm的錨索，錨索托板均使用300 mm×270 mm×14 mm的可調心W型托板配合調心球墊，藥卷均使用MS雙速23/120型樹脂錨固劑。金屬網使用6 000 mm×1 200 mm經緯金屬網。

4.2 巷幫支護

采用“錨索+金屬網”聯合支護，每排每幫布置4根錨索，排距1 000 mm，間距從頂板至底板依次為：400/950/950/950/350 mm。幫錨索使用Φ17.8 mm×4 200 mm的錨索，錨索托板使用300 mm×300 mm×12 mm的可調心W型托板配合調心球墊，藥卷使用MS雙速23/120型樹脂錨固劑。金屬網雙層布置，雙邊連接（如圖1所示）。

5 支護效果分析

5.1 錨索受力分析

21.8 mm錨索施加較大的預應力后（330 kN），巷道頂幫錨索最大受力250 kN，掘進期間穩定厚主要維持在200 kN，錨索的受力整體處于穩定狀態，大小變化不明顯，錨索受力特征充分表明預緊力擴散的有效性，控制頂板為穩定圍巖，減少了頂板變形、離層及滑動等變化，提升了頂板及錨固范圍的完整和強度（見圖2）。

圖1 巷道支護設計圖（mm）

圖2 巷道位移監測曲線

5.2 巷道變形分析

掘進圍巖受擾動后，由于高預應力錨索技術支護，圍巖很快被支護，基本趨于穩定。巷道頂板平整，局部地質變化區稍有破碎下沉，下沉量控制在100mm，絕大部分段基本沒有變化。兩幫受煤體破碎影響，部分段有回縮，移近量主要為150~200 mm范圍，個別有錨索破斷，但整體控制有效，支護可靠。由于底板為煤體，受礦壓影響，底鼓范圍近500 m，底鼓量最大1.2 m，平均0.5 m（見圖3）。

圖3 巷道斷面監測圖

6 結語

高預應力支護為頂板提供了更高的預緊力，并有更大的延伸率，有效地減少了頂板圍巖的變形量，頂板圍巖保持穩定，兩幫變形得到有效控制，整體狀況明顯改善。巷道斷面滿足掘進和回采期間的斷面要求，有效地減少了巷道重復整修的投入，具有良好的經濟效益。