阳泉矿区复杂困难巷道支护技术研究及工程应用

付书俊 何 杰 范军平 程 蓬

(1. 阳泉煤业(集团)有限责任公司，山西省阳泉市，045000；2. 天地科技股份有限公司开采设计事业部，北京市朝阳区，100013)

近几年，煤矿巷道锚杆支护技术发展迅速，取得了丰硕的研究成果。以康红普院士为首的巷道矿压与支护研究所团队经过多年研究，提出巷道围岩锚固与注浆加固成套技术，包括：巷道围岩地质力学测试、锚杆支护设计、破碎巷道围岩加固技术、支护材料、施工机具与工艺、支护质量检测、矿压监测等，通过成套化和精细化研究，深化了对锚杆支护作用机理的认识，解决了大量煤矿复杂困难巷道支护难题，提高了我国煤巷锚杆支护整体水平。

阳泉煤业(集团)有限责任公司(以下简称“阳煤集团”)是山西省属五大煤炭集团之一，2016年阳煤集团累计完成巷道掘进进尺37万m，其中锚杆支护巷道比例达到95%以上。阳煤集团从1986年开始推广巷道锚杆支护技术，经过多年的实践与摸索，取得了宝贵的实践经验和支护效果，但是随着煤炭产量的增加，开采深度和强度不断增大，特别是15#煤层厚度大、煤质软、复杂困难巷道比例逐年递增，导致阳煤集团采掘衔接的矛盾突出，巷道支护难度大、成本高、返修率高，对矿井建设与安全生产产生较大影响。为此，通过与煤科总院开采设计研究院合作试验及推广煤巷锚杆支护成套技术，经过一年多的研究和实践，逐步在阳泉矿区15#煤层不同类型的复杂困难巷道中推广和应用，取得了较好的支护效果。

1 阳泉矿区15#煤层巷道围岩地质力学测试

为弄清阳泉矿区巷道围岩地质力学参数，掌握地应力场分布特征，为矿井开拓、巷道布置及采场与巷道围岩控制提供基础参数，采用单孔、多参数、耦合地质力学原位快速测试装备，对阳泉矿区地应力、围岩强度和围岩结构进行了大规模的测量和分析，累计在阳煤集团一矿、二矿、新景、新元、五矿、寺家庄等6对主力矿井15#煤层完成17个测站巷道围岩地质力学参数测试，每个测站测试内容包括：地应力、围岩强度和围岩结构等内容，为锚杆支护设计提供了可靠的基础数据。

1.1 地应力测试

由于埋藏深度不同及地质构造原因，阳泉矿区

内各矿地应力场差别较大，按照3个主应力的大小排列，可分为两种类型：σv>σH>σh，自重应力主导，有1个测站，占总数的5.9%；σH>σv>σh，构造应力主导，有16个测站，占总数的94.1%。地应力测试结果如图1所示，由图1可以看出，阳泉矿区煤层埋深较大，测点深度在377～631 m范围内，整体来看，最大水平应力显著大于垂直应力，原岩应力总体上以构造应力占主导，应力场类型呈现出构造应力场的特征，说明了阳泉地区受煤层受地质构造影响十分强烈，地质环境复杂，构造应力对应力场起绝对主导作用。

图1 阳泉矿区地应力随深度变化散点图

1.2 围岩强度测试

采用WQCZ-56型小孔径井下巷道围岩强度测定装置，对阳泉矿区不同煤矿不同岩层巷道顶板强度进行测试，主要测试在巷道顶板、两帮围岩10 m范围内的煤岩体强度，部分测试结果见表1。

表1 阳泉矿区不同煤层顶板强度测试结果

通过测试结果可知，阳泉矿区不同矿井、不同煤层顶板围岩和煤体的岩性、强度和厚度差异性很大，巷道支护类型多、难度大，巷道支护设计必须进行差异化考虑，才能满足不同条件下支护需要。

1.3 围岩结构观测

采用数字高清式全景窥视仪对阳泉矿区不同煤层顶板结构进行窥视，新景矿15#煤层顶板围岩结构观测结果如图2所示。由图2可知，测试地点巷道顶板上方0～2.81 m为15#顶煤，黑色，煤层松软，破碎，裂隙发育。2.81～3.87 m为炭质泥岩与薄煤层互层，岩层呈深灰色，裂隙发育，岩层完整性差，横向裂隙发育。3.87～6.54 m为石灰岩，岩层呈深黑色，具有裂隙，含有白色的方解石脉。6.54～8.01 m为泥岩，黑色，岩层完整。8.01 m以上范围为石灰岩。

2 阳泉矿区锚杆支护材料更新与优化

锚杆支护材料包括杆体、托板、螺母、锚固剂、组合构件、金属网、锚索等。支护材料在锚杆支护技术中起着至关重要的作用。性能优越的支护材料是充分发挥锚杆支护效果与保证巷道安全程度的必要前提。针对阳泉矿区煤矿生产现场支护材料现状，阳泉矿区对锚杆支护材料进行改进和更新，锚杆支护材料从低强度、低刚度逐步过渡到高强度、高刚度与高可靠性的发展过程，逐渐形成支护材料的系统化和标准化。锚杆杆体从圆钢、右旋全螺纹锚杆，发展为高强左旋无纵筋螺纹钢，锚杆强度达到500#及以上。逐步淘汰原有性能较差的锚杆支护构件，大面积推广使用高强度拱形可调心锚杆锚索托板。针对阳泉矿区顶板围岩条件复杂，淘汰原有平托板、铸钢及槽钢等锚索托板，开发出高强度拱形锚索托板和异形W型锚索托板，解决了复杂困难支护材料构件不匹配的问题，取得了较好的支护效果。

3 阳泉矿区15#煤层巷道不同布置方式对比研究

阳泉矿区15#煤层平均厚度超过5.5 m，煤层厚度大，节理裂隙发育，煤质松软。针对15#煤层特殊的地质条件，选择合理的巷道掘进方式成为影响巷道掘进和工作面回采的关键问题。通过对不同巷道掘进方式进行综合性的理论性分析，并结合数值计算软件，对比分析阳泉矿区15#煤层巷道沿煤层顶板和沿煤层底板掘进两种不同条件下巷道围岩应力及围岩破坏分布特征，如图3和图4所示。

图3 不同巷道掘进方式围岩垂直应力分布状态

由图3可知，巷道沿15#煤层顶板掘进时，巷道围岩垂直应力集中区主要分布于巷道顶板的两个角。这主要是由于石灰岩顶板强度很高，远超过巷道两帮和底板，在巷道顶板产生应力集中区域。当巷道沿15#煤层底板掘进时恰好相反，此时巷道围岩垂直应力集中区主要分布于巷道底板的两个角。这主要是由于改变巷道掘进方式之后，顶板由石灰岩变成顶煤，由于煤体的强度较低，在地应力的作用下，顶板围岩易产生变形和移近，导致应力集中效应不显著，而此时由于巷道底板是砂岩，其强度较高，远超过巷帮煤体强度，在巷道底板产生明显应力集中效应。

图4 不同巷道掘进方式围岩塑性破坏区分布状态

由图4可知，巷道沿15#煤层顶板掘进时，巷道围岩变形破坏范围较小，仅仅在局部区域发生围岩的塑性破坏，巷道稳定性较好。相比较之下，巷道沿15#煤层底板掘进时，巷道变形破坏范围有所增大，主要变形为巷道顶板和底板破坏区域和范围均有所加大，巷道支护难度较大，应该对巷道支护设计进行深入分析，研究合理的巷道支护方式，以保证巷道的安全稳定。

4 阳泉矿区复杂困难巷道支护技术现场应用

在阳泉矿区巷道地质力学测试的基础上，通过强力支护材料研发与标准化，巷道施工机具与工艺升级优化，加强巷道施工质量检测与监督，并进行全面的巷道矿压数据监测，目前已在阳泉矿区15#煤层不同矿井、不同类型巷道开展了多条复杂困难巷道井下试验，通过示范巷道工程形成示范效果，进行了推广应用。

4.1 新景矿15#煤层厚煤层托顶煤巷道支护技术

4.1.1 巷道地质条件

15028工作面进风巷位于新景矿15#煤一采区，15#煤层平均厚度为6.6 m，巷道沿15#煤层底板布置，顶板由煤、石灰岩和泥岩组成。15#煤层强度17 MPa，煤层松软，破碎，裂隙发育，石灰岩厚度2.6 m，强度为111.9 MPa，泥岩厚度1.6 m，强度34.5 MPa。巷道埋深550～620 m，断面为矩形，宽度5.2 m，高度3.1 m。巷道围岩地质力学测试数据显示，15028工作面进风巷最大水平主应力16.95 MPa，最小水平主应力8.69 MPa，最大水平主应力方向北偏东80.8°，垂直主应力15.03 MPa。

4.1.2 支护参数设计

采用工程类比、数值模拟多方案对比，确定15028进风巷采用树脂加长高预应力锚固支护。顶、帮锚杆均采用直径20 mm、长度2.4 m、钢号500#的螺纹钢锚杆。锚索采用直径17.8 mm，长度6.2 m的带箍锚索。采用W型钢带与经纬网护表护顶，顶锚杆间排距0.9 m×0.95 m。采用W型护板与菱形金属网护帮，间距1.1 m。锚杆预紧力矩设计400 N·m，锚索预紧力为250 kN。15028进风巷锚杆锚索支护布置如图5所示。

图5 15028工作面进风巷巷道支护布置图

4.1.3 井下监测数据分析

根据优化后巷道支护设计进行井下施工后，巷道支护效果明显改善，巷道基本没有发生离层和破坏，W型钢带和W型钢护板紧贴煤壁，巷道围岩完整，稳定性较好，没有出现锚杆和锚索破断现象。矿压监测数据如图6所示，采用新方案后锚杆锚索受力十分稳定，巷道顶底板变形量仅为61 mm，两帮变形量为34 mm，相比较原方案巷道变形量降低70%，支护成本降低30%，巷道掘进效率也明显提高，巷道支护最终效果如图7所示，取得较好的支护效果，矿方在后续类似条件的巷道进行了推广和应用。

图6 巷道表面位移观测曲线

4.2 寺家庄矿强烈动压影响巷道支护技术

4.2.1 巷道地质条件

15106工作面位于寺家庄矿15#煤层中央盘区，15106工作面西部为15104工作面采空区，15104工作面于2011年5月回采结束，15106进风巷与15104工作面采空区煤柱尺寸仅7 m。15106工作面进风巷沿15#煤层顶板掘进，巷道顶板有砂质泥岩和细砂岩组成。15#煤层平均厚度5.35 m，平均倾角6.5°，上部煤层厚度在0.5～0.8 m范围内，煤质松软，强度偏低，下部煤层煤质偏硬，强度相对较高。15106工作面平均埋深492 m。15106进风巷巷道断面为矩形，掘进宽度5.4 m，掘进高度4.5 m。巷道掘进期间两帮变形大，特别是小煤柱帮变形严重，矿方后期采用巷道表层喷浆封闭、化学浆液加固、打木点柱等多种方式进行巷帮加固。巷道围岩地质力学测试数据显示，15106工作面最大水平主应力14.20 MPa，最小水平主应力7.27 MPa，垂直主应力9.44 MPa，最大水平主应力方向为北偏西48°。

4.2.2 支护参数设计

经过数值模拟多方案对比，结合已有巷道变形支护状况，确定15106进风巷支护形式为：高预应力锚杆锚索组合支护。顶板采用W型钢带和异形W型锚索托板进行护表，顶板布置5根锚索，排距1250 mm，间距900 mm。顶锚索规格为1×19股，直径21.8 mm，长度6.3 m。巷帮采用锚杆和锚索进行联合支护，每排布置3根锚索和2根锚杆，间距900 mm。帮锚索直径17.8 mm，长度4.2 m，帮锚杆强度500#，直径20 mm，长度2.2 m。顶锚索预紧力为300 kN，帮锚索预紧力为180 kN，帮锚杆预紧力矩400N·m。锚杆支护布置如图8所示。

图8 寺家庄矿15106工作面进风巷巷道支护布置图

4.2.3 井下监测数据分析

在小煤柱巷道掘进后，进行矿压监测，全断面锚索锚杆支护巷道表面位移曲线如图9所示。由图9可知，顶板下沉量为53 mm，两帮位移量为132 mm，其中小煤柱帮达到96 mm，占两帮变形量的72.2%，相对原巷道两帮变形400 mm以上，两帮变形降低显著。高预应力、强力锚杆与锚索支护有效地控制了小煤柱巷道的强烈变形，满足了生产要求。

5 结论

(1)阳泉矿区开采煤层多，赋存深度大，巷道围岩变形强烈，特别是15#煤层厚度大，围岩节理裂隙发育，开采强度大，巷道动压影响显著，支护难度高，是阳泉矿区巷道支护的重点和难点。

(2)通过对阳泉矿区巷道围岩地质力学测试、高预应力巷道支护材料优化、高性能的施工机具和工艺、巷道工程质量检测与矿压监测等方面的系统优化，提升了阳泉矿区巷道支护整体水平。

图9 寺家庄矿15106工作面进风巷巷道表面位移监测曲线

(3)数值模拟表明，15#煤层沿顶板和底板布置时，巷道围岩应力和塑性变形情况差异较大，需根据巷道布置方式和巷道类型进行差异化设计。

(4)采用高预应力、强力锚杆支护技术成功应用于阳泉矿区15#煤层不同类型复杂困难巷道，巷道围岩变形得到有效控制，取得理想的支护效果。

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