耦合支护在高应力矿井中的应用

焉德斌

摘要：耦合支护技术能够充分调动围岩自身承载能力，比同类的刚度支护大大节约材料消耗，减轻了工人的劳动强度，在高应力软岩矿井中有很高的推广价值。

关键词：耦合支护高应力矿井应用

1工程概况

1.1大平煤矿NIS2工作面位于北一采区南侧。回风顺槽临近采空区，中间隔8米煤柱：西部为本采区未动用的南三段工作面。

1.2库存工作面地表位于矿工业广场的西侧，南面为三台子水库。回刚顺槽巷道顶板标高在326.5m-334.3m之间，水库库底标高为+79.6m。

1.3库存耦合支护试验段开始于回顺610米处至760米处结束，总长150米，其中610-710米段为4.6米圆断面，710-760米段为中部车场，拱形断面。

1.4岩性(包括构造)：全煤。掘进方式：全断面一次爆破。支护形式：锚+网+喷浆+棚+锚索联合支护方式。

2地质条件

2.1煤质工业牌号为长焰煤，黑色、沥青光泽、条带状结构、块状构造、贝壳状断口或平坦状断口，质脆，以亮煤为主，暗煤次之，在亮煤条带中常见两组垂直层面的内生裂隙，一组发育，另一组次之，裂隙面平坦。煤的物理性质：1煤层容重1.33g／cm，2煤层容重1 31g／cm。

2.2煤层顶底板：①顶板：1层煤无伪顶。直接顶为黑褐色油页岩，中间夹薄层泥岩，泥页岩、泥灰岩、粘土岩和菱铁矿透镜体。老顶以黑色泥岩为主，夹有深灰色粉砂岩，本层中富含蚌、螺及介形虫等动物化石。本层厚20-34m。②底板：1层煤底板(即1、2煤层间夹石)为两至三层泥岩，间夹煤线，泥岩质软，松散易碎。2煤层底板主要以灰色、灰白色粉、细砂岩为主，夹深灰色泥岩，松散易碎。

3耦合支护的理论依据

所谓的耦合支护就是通过支护体与围岩的耦合，恰到好处地、及时地限制围岩由于塑性大产生变形不协调部位，实现巷道稳定耦合支护共同作用过程中，实现支护体与围岩的一体化、荷载的均匀化，刚度耦合支护体能对围岩结构面不连续变形部位进行加强支护，以防止围岩个别部位发生有害的变形损伤结构耦合，充分地释放膨胀能等非线性能量，最大限度地保护围岩承载能力强度，耦合锚网索耦合支护就是针对软岩巷道围岩，由于塑性大变形而产生的变形不协调部位，通过锚网一围岩以及锚索一关键部位支护的耦合而使其变形协调，从而限制围岩产生有害的变形损伤，实现支护一体化、荷载均匀化，达到巷道稳定的目的。软岩巷道实现耦合支护的基本特征在于巷道围岩与支护体在强度、刚度及结构上的耦合。

耦合支护过程：锚网索支耦合支护的实施根据上述理论，可以确定软岩巷道耦合支护的具体实施过程。

3.1初次耦合巷道开挖后，首先实施初次耦合支护。即根据巷道围岩条件，选择与其相耦合的支护材料(锚杆、网、锚索、喷射混凝土等)，对围岩施加锚网耦合支护。初次耦合支护应在充分释放巷道围岩变形能的同时，通过锚网与围岩在刚度、强度上实现耦合，从而最大限度地发挥巷道围岩的自承能力。

其做法是：巷道开挖成型后先进行打锚杆，挂网然后进行初喷。

3.2二次耦合实施初次耦合支护后，通过巷道围岩的变形特征以及巷道项底板、两帮移近量以及锚杆托盘应力的监测，确定支护的最佳时间(段)及关键部位，对巷道围岩关键部位施加高预应力锚索，复喷(150 mm)，架设36U型钢梁棚支护实施二次耦合支护。

二次耦合支护通过调动深部围岩强度，使支护体与围岩在结构上达到耦合，从而使整个支护体与围岩达到最佳的耦合支护力学状态。

根据新奥法理论，为了发挥围岩的本身支撑作用避免软岩风化锚网之后进行喷浆，喷层厚度150mm，强度C20：根据补强加固理论，锚网之后采用锚索，架棚补强加固支护。综上所述确定采用锚、网、喷，索，支联合支护。

4工程说明

有了上述理论依据，经矿研究决定在N1S2回顺进行锚+网+喷浆+棚+锚索的支护试验，试验段长度为1 50m。

试验段支护断面示意图：

试验段施工技术要求：

4.1施工锚杆采用φ22×2400mm的高预应力、高强度锚杆，锚杆布置断面为16—17—16五花眼布置，排距为800mm，拱部锚杆间距为800mm，底板锚杆间距为1000mm。

4.2每施工完3根锚杆后，使用用钢带连接，钢带采用8mm盘圆加工，规格1800×70mm；之后上150×150mm的方形托盘、可调心垫圈，性能与强力锚杆匹配，垫好高效减摩垫片(1010尼龙)，提高预应力，最后拧紧螺母。

4.3喷浆时首先对本班爆破段进行初次喷浆30mm厚，并对之前的初喷段进行补喷成巷150mm厚。

4.4试验段架设的4.4m圆棚，净高为3.4m，棚距为800mm.循环进尺为2 4m，最小空顶距为0.2m，最大空项距为2.6m。棚后每间隔1.0m一块的木柈(长度为1m)平行刹好，用铁线绑牢。超挖部分用木袢和木楔在棚后打“井”字型木垛刹严，与帮、顶接实。架棚最多可滞后工作面7.4m。

4.5打锚索眼使用专用的锚索钻机，配备套钎。锚索采用高强度低松弛的1×19钢绞线，直径21.8mm，长度7.32m，2.53kg／m。锚国剂采用4支M2355树脂锚固剂，锚固长度2.2m。锚索排距为2.4m，锚索间距为1.5m，每排3根。

5支护效果

巷道施工后，收敛不明显，收敛速度很小，平均为0.5mm／天左右。在受动压影响之前，巷道高度和宽度变化很小，和传统的锚杆，挂钢筋网，架棚，壁后充填混凝土支护形式相比差不多，但支护成本却大大降低。当工作面推进至试验段附近100米左右时，试验段变化明显，开始显现采动支承压力影响，试验段全宽最大收敛量为1665mm，平均为1400mm。顶板高最大收敛量为700mm，平均为600mm。期间经过现场分析，决定对试验段采动影响范围100米内所套的U型钢棚子补打斜戗顶子，戗顶子方向对回采煤壁帮，戗顶子用36U型钢梁制作，每根长度2、2米，两根搭接处用4个卡子紧固。并对试验段内露煤部位进行喷浆封闭补强，以免煤壁风化膨胀，通过这些有效的加强支护措施，试验段于2009年7月份顺利通过。

6结束语

大平矿在N1S2综放工作面回顺610米-760米处大胆进行了锚+网+喷浆+棚+锚索的耦合支护尝试，从掘进到回采都进行了矿压跟踪观测，结果表明这种支护方式能够充分调动围岩自身承载能力，比同类的刚度支护大大节约材料消耗，减轻了工人的劳动强度，在高应力软岩矿井中有很高的推广价值。这种支护方式的缺点是施工底部锚杆困难比较大，而且底部锚杆施工完后，用耙斗机出赁难度比较大，有待进一步改进。