高應力厚泥巖頂板煤巷梯次支護技術的實踐

孫 磊 梁立博 韓應偉

（濟寧礦業集團花園井田資源開發有限公司，山東 濟寧 272200）

1 工程概況

1.1 概況

濟寧礦業集團花園煤礦4308 工作面開采3#煤層，煤層平均厚度2.48 m，平均傾角8°。煤層巖性以泥巖、砂質泥巖和細砂巖為主，泥巖厚度2.40 m，砂質泥巖厚度16.50 m，細砂巖厚度2.30 m。

1.2 巷道原支護方式

4308 軌道順槽為矩形斷面，凈寬4400 mm、凈高3000 mm，原永久支護為錨網索梁聯合支護。

頂板支護：采用Φ22 mm×2200 mm 高強錨桿，間排距800 mm×800 mm；頂板鋪設鋼筋網，網孔規格：50 mm×50 mm；頂板每排使用1 片M 鋼帶，眼距830 mm；頂板每排打設3 排錨索梁，錨索規格為Φ21.6 mm×6300 mm，錨索托盤采用鋼板加工，規格為240 mm×120 mm×12 mm。

幫部支護：采用Φ22 mm×2200 mm 高強錨桿配合M 鋼帶，排距為800 mm，鋪設小眼點焊鋼筋網，網孔規格：50 mm×50 mm。

1.3 問題分析

4308 軌道順槽局部地段底鼓突出，兩幫移近量大，巷道部分錨桿、錨索破斷，斷面收縮明顯，多數地段還要割底、架棚，巷道維修困難，影響工程進度。根據4308 軌道順槽厚泥巖頂板實況，采用FLAC5.0 數值計算軟件模擬分析巷道圍巖內部位移矢量、應力分布特征及錨桿支護對圍巖力學參數性能的改變，分析影響深部開采煤體巷道圍巖大變形的主要因素，提出解決巷道厚泥巖頂板的支護方案。

2 厚泥巖巷道梯次支護技術原理

2.1 厚泥巖巷道梯次支護原理

厚泥巖巷道梯次支護技術如圖1。一階支護為巷道頂板分層支護；二階支護為采用短錨索支護，控制頂板中下部軟弱煤巖；三階支護為采用長錨索對已形成的二階錨固承載體向頂板上部深層煤巖體實施整體組合錨固。

圖1 梯次支護技術原理示意圖

2.2 “類剛性梁”結構生成

巷道梯次支護即為將巷道淺部支護與深部支護技術相結合的支護手段，通過短錨桿、長錨桿、錨索等支護形式，將圍巖離層軟巖錨固，形成一定強度整體圍巖，達到抵抗圍巖變形的目的。將頂板錨固在一起形成的結構，稱為“類剛性梁”結構，如圖2。

圖2 “類剛性梁”結構示意圖

3 巷道圍巖控制方案及參數設計

3.1 模型建立

數據模擬基于4308 軌道順槽開挖后所處巖層層位，采用FLAC5.0 模擬分析該位置處于原支護條件運輸巷道圍巖應力分布和礦壓顯現特征。

3.2 原支護方案模擬分析

4308 軌道順槽原支護方案模擬結果表明：采用原支護方式進行支護后，頂板下沉量、底鼓量、左幫移近量、右幫移近量分別為435 mm、658 mm、839 mm、732 mm。原支護方式對巷道圍巖控制效果較差，垂直位移量較小，底鼓量較頂板下沉量大很多，斷面面積從14.18 m2變形為6.18 m2，斷面收縮56%，屬于大變形，需優化調整。

3.3 優化支護方案及模擬分析

3.3.1 優化支護方案

根據4308 軌道順槽實況及原支護方案效果，擬采用高強錨網索聯合支護方案[1-2]。錨桿選取3種 不 同 規 格Φ22 mm×（2200 mm、2500 mm、2800 mm）進行模擬比選，錨索選取3 種不同規格Φ21.6 mm×（6300 mm、8300 mm、9300 mm）進行模擬比選，錨桿間排距選取3 種不同規格（800 mm×800 mm、700 mm×700 mm、600 mm×600 mm）進行模擬比選，單因素方法。

3.3.2 錨桿模擬分析

錨桿3 種不同規格Φ22 mm×（2200 mm、2500 mm、2800 mm）模擬比選結果表明：對比2200 mm 長度錨桿，2500 mm 和2800 mm 長度錨桿對增加圍巖強度以及改善圍巖峰后強度有較好的效果，其應力集中向四周轉移。此時，主要是以塑性變形為主，隨著塑性區的發展，圍巖仍會發生碎脹變形，盡管較長錨桿可增加錨固長度，但效果不佳，沒能調動深部穩定的巖體作用，頂板及兩幫出現不同程度的變形，底板為弱面，沒采取任何措施，底鼓量還是很大，仍需要輔助其他支護方式。綜合經濟因素，確定采用2500 mm 錨桿。

3.3.3 錨索模擬分析

巷道斷面在采取長錨桿支護的基礎上，采用錨索進行補強。頂板施加3 根預應力鋼絞線錨索，兩幫分別施加1 根預應力鋼絞線錨索。錨索3 種不同 規 格Φ21.6 mm×（6300 mm、8300 mm、9300 mm）模擬比選結果表明：施加錨索支護后，剪應力向巷道深部圍巖延伸，應力集中程度減小，巷道變形量減小；長度為8300 mm 和9300 mm 錨索的支護效果要好于長度為6300 mm 錨索，而長度為8300 mm 和9300 mm 錨索兩者之間的支護效果相差較小。綜合經濟因素，確定采用8300 mm 錨索。

依據梯次支護技術的基本原理，在巷道頂板巖層中形成一定厚度的具有組合錨固效應的階梯式立體支護結構，控制頂板圍巖變形，使錨索達到耦合支護的效果，配合6.3 m 錨索強化錨固承載結構。

3.3.4 間排距模擬分析

錨桿間排距3 種不同規格（800 mm×800 mm、700 mm×700 mm、600 mm×600 mm），選取錨索間排距為錨桿間排距的2 倍。從模擬應力分布數據可知，當錨桿間排距為700 mm×700 mm 和600 mm×600 mm 時，錨桿對圍巖的支護效果較好。根據數值模擬分析可知，三種不同間排距時4308軌道順槽圍巖位移情況見表1。

表1 4308 軌道順槽不同間排距時圍巖最大位移量情況表

表1 數據表明，4308 軌道順槽采用小間排距支護后，基于支護密度的增加，巷道圍巖的變形量進一步降低，小間排距支護參數的應用可有效增加巷道圍巖的穩定性。當間排距為800 mm×800 mm時，其支護效果基本能滿足要求，在非特殊地質段基于經濟效益考慮，采用800 mm×800 mm 間排距即可。

3.4 優化支護參數的確定

通過有限元數值計算及研究分析，確定4308軌道順槽支護參數如下：

（1）頂板支護形式。采用Φ22 mm×2500 mm超高強錨桿（屈服強度500 MPa），錨桿間排距800 mm×800 mm；頂板鋪設鋼筋網，網孔規格：50 mm×50 mm；頂板每排使用1 片6 眼4.35 m 長的M 鋼帶，眼距800 mm；每根錨桿使用MSK2550樹脂錨固劑（白色，先裝）和MSZ2550樹脂錨固劑（藍色，后裝）各1 支；頂板錨桿扭矩不小于300 N·m。

頂板沿走向依次布置5 排錨索梁，形成“三二交替布置”。“三”為長錨索，錨索規格Φ21.6 mm×8300 mm；“二”為短錨索，錨索規格Φ21.6 mm×6300 mm。錨索梁采用2.0 m 長16#槽鋼梁，兩個眼孔距離為1.6 m，且錨索需加讓壓管。每根錨索使用4 支MSZ250 樹脂錨固劑（藍色），錨索預緊力不低于200 kN。頂部錨索必須緊跟掘進迎頭施工安裝（下幫的1 組錨索梁除外）。

（2）幫部支護形式。采用Φ22 mm×2500 mm 超高強錨桿（屈服強度500 MPa），兩幫使用豎向M 鋼帶（1000 mm 長2 眼及1700 mm 長3 眼鋼帶搭配使用，眼距700 mm），錨桿間排距為700 mm×800 mm；鋪設小眼點焊鋼筋網（網格70 mm×70 mm），每根錨桿使用MSK2550 樹脂錨固劑（白色，先裝）和MSZ2550 樹脂錨固劑（藍色，后裝）各1 支，幫錨桿螺母扭矩不小于200 N·m。

（3）巷道兩幫均采用橫向錨索梁控制變形。沿巷道走向在兩幫中部各布置1 排錨索梁，“一梁二索”，錨索規格為Φ21.6 mm×6300 mm，錨索梁采用2.0 m長16#槽鋼加工，兩個眼孔距離為1.6 m，錨索梁托盤為200 mm×120 mm×20 mm；每根錨索使用4 支MSZ2550 樹脂錨固劑（藍色），錨索預緊力不低于200 kN，幫部錨索梁滯后掘進迎頭不超過20 m。4308 軌道順槽斷面支護如圖3。

圖3 4308 軌道順槽斷面支護示意圖

4 巷道圍巖表面位移觀測分析

4308 軌道順槽梯次支護方案應用于巷道250～850 m 處，在梯次支護方案應用段范圍內，在巷道300 m、450 m、600 m 處各布置一個測站，兩幫及頂底板移近量結果如圖4。

圖4 圍巖變形量規律

由圖4 可知，4308 軌道順槽梯次支護方案應用段頂板下沉量均小于10 mm，支護效果理想，兩幫移近量小于80 mm，巷道圍巖變形量較小，圍巖穩定性較好。

5 效果分析

4308 軌道順槽從2021 年5 月21 日開始至8 月23 日工業性試驗結束，掘進期間共施工93 d，成巷680 m。4308 軌道順槽應用高預應力煤巷錨網索為基礎的梯次支護技術，巷道圍巖變形量較小，支護效果理想。4308 軌道順槽在回采期間受工作面超前支承壓力影響，對比掘進期間巷道變形量有明顯增加，但整體來看巷道圍巖沒有出現較大變形量，支護效果理想，巷道維護滿足區段安全開采的要求。