厚煤層大斷面煤巷高預應力支護技術研究

冀海鴻

（山西華陽新材料科技集團有限公司，山西 陽泉 045000）

1 陽煤一礦81403 工作面概況

陽煤一礦81403 工作面位于81401 工作面（已回采）以南，本采區(qū)81405 工作面（未掘）以北，北翼十四采區(qū)西回風巷以西，本采區(qū)西部采區(qū)邊界以東。該工作面為綜放工作面，巷道布置在15 號煤層中。81403 工作面進風巷總體構(gòu)造形態(tài)該巷道總體構(gòu)造形態(tài)為一單斜構(gòu)造，根據(jù)周邊地質(zhì)資料分析，預計在掘進過程中會遇到一些落差2 m 左右的斷層及撓曲構(gòu)造，對掘進造成有一定影響。煤層最大厚度為7.3 m，最小厚度為6.3 m，平均厚度為6.9 m，煤層普氏硬度系數(shù)為f=1.5。煤層頂?shù)装迩闆r如表1。

表1 煤層頂?shù)装迩闆r表

2 地質(zhì)力學參數(shù)測試

通過前期試驗和推進，完成3 個測站的地應力參數(shù)測試，完成6 個鉆孔的巷道圍巖強度測試，該礦所測地應力統(tǒng)計結(jié)果如表2。

表2 地應力測試結(jié)果統(tǒng)計

區(qū)域水平主應力最大值為18.19 MPa；最小水平主應力最大值為9.42 MPa。根據(jù)相關判斷標準：0～10 MPa 為低應力區(qū)，10～18 MPa 為中等應力區(qū)，18～30 MPa 為高應力區(qū)；大于30 MPa 為超高應力區(qū)。按照相關地應力量級標準可劃分測試區(qū)域地應力場在量值上屬于中等偏高應力值區(qū)域。

3 巷道結(jié)構(gòu)及穩(wěn)定性分析

該礦15 號煤層巷道具有穩(wěn)定性差、變形強烈的特點。一是巷道圍巖錨固性能差，尤其受到瓦斯抽放影響的松軟厚煤層巷道，圍巖破碎，錨桿錨索錨固力低下，傳統(tǒng)的高預應力錨桿錨索支護系統(tǒng)無法充分發(fā)揮支護作用；二是巷道頂幫圍巖差異性大，不易形成穩(wěn)定承載結(jié)構(gòu)，尤其構(gòu)造應力占主導的動壓巷道，在受到回采影響后兩幫劇烈變形，導致巷道頂?shù)装迨軘D壓而彎曲變形，從而誘發(fā)巷道失穩(wěn)破壞，礦壓顯現(xiàn)明顯，巷道支護困難，有時出現(xiàn)反復維修現(xiàn)象，甚至安全事故，分析可能原因如下：

3.1 巷道圍巖條件差，穩(wěn)定性不好

由于開采煤層深度增加，煤層整體發(fā)育變化較大，煤層節(jié)理、裂隙發(fā)育，煤層強度較低，完整性較差。

3.2 巷道沿頂?shù)装寰蜻M，巷幫支護難度大

本工作面為綜放工作面，巷道屬于大斷面巷道，受掘進動壓等影響，容易出現(xiàn)破碎變形，需提升兩幫支護的剛度、強度以及整體協(xié)調(diào)性。

3.3 巷道應力大，巷道底鼓嚴重

由于受到巷道相鄰工作面的采動影響，加上深埋巷道的水平構(gòu)造應力影響，巷道在采掘期間容易出現(xiàn)底鼓現(xiàn)象。

3.4 瓦斯抽放對巷道支護造成影響

15 號煤層瓦斯含量較高，在施工期間需要對煤層進行超前預抽孔和局部釋放孔，數(shù)量眾多的抽放孔會對巷道圍巖完整性和穩(wěn)定性產(chǎn)生明顯不利影響，進一步加深巷幫煤體的破碎，導致巷道支護困難。

4 設計方案與技術參數(shù)

4.1 原方案評價分析

頂板采用全錨索進行支護，采用6 根長短錨索交替布置，規(guī)格為Φ17.8-7200/5200，其中7.2 m 錨索按照“二四”和“三五”進行輪流布置，錨索托板為240 mm×200 mm×85 mm 鑄鋼錨索托板，錨桿配合采用波紋鋼帶護頂，規(guī)格為4-220-5100-940-6。巷幫采用4 根直徑20 mm、長度2 000 mm的圓鋼麻花錨桿，鋼號為Q235。錨桿托板采用350 mm×120 mm×40 mm的花式托板。全斷面掛網(wǎng)，頂部、兩幫網(wǎng)片采用經(jīng)緯網(wǎng)。錨索的間排距為950 mm×800 mm。頂錨索預緊力要求為170 kN（45 MPa），幫錨桿錨固力要求50 kN，錨桿預緊力矩120 N·m。

對井下圍巖變形進行觀測統(tǒng)計，發(fā)現(xiàn)巷道頂板相對穩(wěn)定，下沉量較小，除個別段有墜包和彎曲下沉現(xiàn)象，大部分相對較平整；巷道兩幫變形相對明顯，部分段兩幫片幫、破碎，出現(xiàn)兜網(wǎng)和錨桿后空現(xiàn)象，部分區(qū)段巷道寬度不足5.0 m，兩幫變形達300 mm之多。巷道頂板采用全錨索支護，頂板強度和剛度相對較高，可主動及時支護圍巖，控制頂板變形。

4.2 支護設計

根據(jù)地質(zhì)條件、優(yōu)化數(shù)值模擬及工程實踐經(jīng)驗，采用頂板全錨索、巷幫錨桿組合方式進行支護。

頂幫錨索17 股結(jié)構(gòu)17.8 mm 鋼絞線，長度6.2 m，錨固長度為1 360 mm。

W 鋼帶規(guī)格280 mm×4 mm×5 400 mm，經(jīng)緯網(wǎng)規(guī)格6.1 m×1.1 m，材料為10 號鐵絲，網(wǎng)孔規(guī)格50 mm×50 mm，搭接100 mm，16 號鉛絲雙邊聯(lián)接。

錨索配套300 mm×280 mm×12 mm 高強度可調(diào)心W型托板及配套調(diào)心球墊，托板高度50 mm，兩凹槽間距210 mm，托板承載能力500 k N 以上。頂板每排6 根，間距1.0 m，排距1.0 m，全部垂直頂板布置，考慮到施工要求，允許5°誤差；錨索預緊力300 kN。

巷幫錨桿為335 號左旋無縱筋螺紋鋼，規(guī)格20 mm×2 000 mm，配套高強調(diào)心球墊和尼龍墊圈，托板尺寸150 mm×150 mm×10 mm，承載能力不低于154 kN。W 鋼護板規(guī)格450 mm×280 mm×4 mm。網(wǎng)片規(guī)格3.1 mm×1.1 m，網(wǎng)孔50 mm×50 mm，搭接100 mm，用16 號鉛絲雙邊雙絲搭接聯(lián)接。巷幫每排4 根錨桿，間距0.9 m，排距1.0 m，預緊扭矩300 N·m。巷道支護布置如圖1 所示。

圖1 新方案支護示意圖（單位：mm）

5 礦壓監(jiān)測分析

1 號測站巷道表面位移監(jiān)測曲線如圖2，可知巷道頂板的最大下沉量約85 mm，掘進巷道高度3 600 mm，頂板變形量占比很小；兩幫最大移近量約65 mm，巷道掘進寬度5 200 mm，兩幫整體變形較小。

圖2 1 號測站表面位移監(jiān)測曲線

2 號測站巷道表面位移監(jiān)測曲線如圖3，可知2號測站巷道頂板的最大下沉量約31 mm，掘進高度為3 600 mm，頂板變形量占巷道高度比例很小；兩幫最大移近量約28 mm，巷道掘進寬度5 200 mm，兩幫整體變形較小。

圖3 2 號測站表面位移監(jiān)測曲線

通過兩組表面位移監(jiān)測可知，兩幫最大變形量約65 mm，頂板最大下沉量約85 mm。考慮到煤炮震動和煤質(zhì)松軟，相對于巷道斷面尺寸，巷道變形整體來看較小，滿足預計變形要求。從變形時間來看，巷道的變形量主要集中在掘進工作面30 m 范圍內(nèi)，超過此范圍巷道的變形量趨于穩(wěn)定，說明巷道支護效果較好。

錨桿錨索受力監(jiān)測分析，結(jié)合前述巷道位移變形，可知：試驗巷道兩幫中間部位圍巖應力較大，錨桿受力明顯，在支護時要加以重視；錨索受力較大，最大值接近250 kN，然后穩(wěn)定維持在高應力狀態(tài)，較好地支護了巷道圍巖。錨桿錨索受力變動主要發(fā)生在前2 d 時間內(nèi)，然后趨于穩(wěn)定；巷道整體變形較小，巷道掘進期間處于安全可靠狀態(tài)。

6 支護效果分析

通過對81403 工作面進風巷高預應力支護優(yōu)化，提高了頂幫支護強度，優(yōu)化了支護材料規(guī)格，實現(xiàn)了對頂板的可靠支護，改善了巷道狀況，效果良好。

6.1 改變原有支護觀念，推行高強預應力支護技術

通過此次試驗，改變了原有巷道支護思維觀念，逐步推廣“三高一低”的高預應力支護理念。主要通過高預應力支護設計和材料完成，淘汰普通圓鋼錨桿，使用高強度螺紋鋼錨桿；提高錨桿扭矩和錨索預緊力，增加支護剛度，變被動支護改變?yōu)橹鲃又ёo。

6.2 優(yōu)化了支護材料性能及匹配性

通過推廣新支護設計，不但提高了支護強度，增加了支護的可靠性，而且提供了結(jié)構(gòu)更合理，強度更高的支護產(chǎn)品，支護各材料協(xié)調(diào)配合更加科學合理，頂板和兩幫支護有力統(tǒng)一的體系。

6.3 經(jīng)濟效益突出

新方案由于提高了支護系統(tǒng)的強度和剛度，并減少了支護費用，提高了掘進效率；另一方面改善了巷道狀況，減少了后期巷修成本的投入。