超千米强冲击厚煤层深井支护技术的研究与应用

侯志凯　陈湘宁　孙帅　马军杰

摘 要：新河煤矿730采区采深已超过-1000m，局部采深已突破-1100m，主采3煤厚9.68～10.3m，平均厚度10.07m，依據2015年3月《新河矿业有限公司-980m水平3煤及其顶底板冲击倾向性鉴定报告》，新河煤矿-980m水平3煤属于强冲击倾向性的煤层。为解决千米深井强冲击厚煤层支护难题，利用安装载荷数值模拟及井下支护实践结合，采用耦合让均压锚杆+耦合让压锚索+金属网+W钢带联合支护，解决了千米深井强冲击厚煤层支护难题。

关键词：千米深井;强冲击;厚煤层;耦合让均压支护

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.22.035

1 矿井概况及采矿地质条件概述

新河煤矿位于山东省济宁市嘉祥县东南部。北临淄矿集团唐口煤业，是山东能源淄矿集团主力生产矿井之一。矿井采用立井多水平开拓方式，设计生产能力90万t/a，第一水平-400m，第二水平-980m。目前，矿井主要开采第二水平的3层煤，井田内构造复杂，断层多，地压大，煤层有强冲击倾向性。

2 730采区面临的支护难题及存在问题

2.1 730采区面临的支护难题及存在问题

目前，730采区巷道埋深已达到-1000m水平，局部已掘巷道埋深达到-1150m，通过下井勘察和调研发现存在以下难题：

（1）巷道埋深大（-1200m左右），地应力高，从矿井延深的三条开拓大巷勘察发现，巷道围岩条件差，造成巷道底鼓严重，两帮位移，喷体开裂，巷道多次扩修，工程量增加。

（2）煤层厚度大，煤3平均厚度10m，煤层硬度不均，节理裂隙发育，施工中两帮较破碎，巷道片帮严重。

（3）矿井构造复杂，断层多，煤炮多，煤层有强冲击倾向性。

（4）顶板压力大，有时存在断锚杆、锚索或者锚索拉穿钢带现象。

2.2 730采区支护方案设计要重点考虑的问题

针对以上难题，本次730采区支护方案设计要重点考虑以下几个方面问题：

（1）巷道埋深大（1200m左右），地应力高，必须提高巷道支护强度：工作面按受一次动压的影响考虑。

（2）煤层裂隙较发育，煤层破碎，表面支护是关键，护表强度需要加强。

（3）煤层具有强冲击倾向性，必须考虑支护系统的释能、吸能特性，提高支护系统的抗冲击性能。

（4）从现场勘查和理论计算可以看出，巷道支护强度需要增加。

2.3 深井支护设计的关键点

（1）支护系统的支护强度：由于煤层巷道和支护系统将经历高地压和超前支承压力的影响（煤层还有强冲击倾向性），从巷道采用释能、吸能整体耦合让均压支护理念及采用高强、高冲击功的高强螺纹钢材料着手，提高材料的抗冲击功。因此要求巷道的支护系统应具有足够的支护强度来适应巷道的地质与采矿条件。

（2）支护系统的安装载荷（预紧力）：预紧力是锚杆实现主动支护的源泉，这是巷道支护成功最关键的因素之一，支护系统在安装时，必须有一定的安装载荷以防止围岩的早期变形破坏。否则将会造成巷道围岩产生大面积失控变形，支护系统失效，巷道变形严重。而预紧力必须是实际作用在锚杆上的安装应力，必须科学合理设计锚杆的安装载荷。

（3）支护系统的可变形性及让压性：通过井下观测，深井工作面顺槽受动压影响，会发生明显变形。深井巷道围岩变形包括两部分，一部分是不可控制的变形，支护系统必须具有让压变形功能以让掉“不可控制”的变形，然而这种让压必须是控制让压，如果不可控让压，支护系统将会失效。也就是说，支护系统在一定的支护强度下缓慢让压，而不是自由让压后支护系统才起作用。所设计的支护系统要适应工作面顺槽的动压和大变形的特点，保证支护系统的有效性。

（4）抗冲击性：由于3层煤及顶底板均具有冲击倾向性，所以要求锚杆系统要有一定的抗冲击能力，通过锚杆的释能装置和提高锚杆杆体原材料冲击功来适应冲击地压的特点。

（5）锚固力：由于煤体的节理裂隙发育，煤体的强度低，可锚性较差。必须改进锚杆、锚索的结构，在保证不影响现场施工的前提下保证锚固力满足设计要求。

（6）表面控制措施：由于矿井埋深大，地应力高，煤体松软，再加上煤体本身的垂直节理和裂隙就比较发育，工作面顺槽掘进时很容易出现片帮。为此必须及时支护顺槽两帮并提高顺槽表面的支护强度。合理的表面控制措施要求护表构件不仅要有合理的刚度和护表面积，而且要求其抗弯性能要好。

3 新河煤矿支护工况设计

在新河煤矿730采区顺槽地质、开采条件下，应根据受采动影响的次数，确定顺槽所受的支撑压力系数，计算深度应该等于埋藏深度乘以支撑压力系数。由于新河煤矿3煤煤厚为10m，顺槽掘进为托顶煤施工，因此，按托顶煤进行设计。

3.1 730采区顺槽托顶煤掘进、回采期间让压工况点

在730采区顺槽掘巷期间，主要受深井地应力和煤层赋存条件的影响，支护的耦合工况点往往变化不大。因此，深井高地应力考虑方式是在上述公式中把垂直应力增加1.0倍。根据这个原则，在采深接近-1200m时，巷道宽度4500mm情况下，支护耦合设计曲线如图1。

图1可以看出，掘进期间“三维支护工况点”为：

支护强度（锚杆）：1380KN/m;围岩表面位移（耦合距离）：40mm;松散范围：1800mm。

730采区顺槽不仅受高地应力和煤层赋存条件的影响，还受本工作面超前支承压力影响，二次影响时，支撑压力系数取1.5，根据这个原则，在采深1200m，巷道宽度4500mm情况下，支护耦合设计曲线如图2。

图2可以看出，回采期间“三维支护工况点”为：

支护强度（锚杆+锚索）：2100KN/m;围岩表面位移：60mm;松散范围：1800mm。

4 730采区支护方案设计

4.1 730采区顺槽托顶煤期间支护方案设计

根据730采区工作面顺槽地质采矿条件及托顶煤理论工况点，支护方案选用如下參数：

（1）顶、帮锚杆参数：

锚杆类型：释能高吸收功应力显示锚杆;间排距：1000×1200mm;杆体直径：22mm;锚杆的长度：2600mm;杆体材料：HY500高吸能杆体;杆体材料指标：屈服强度>19t，抗拉强度>26t，延伸率>20%;安装载荷：4-6t，施工安装扭矩不小于300N·m;托盘：150×150×10mm高强球型托盘，承载力大于33吨;表面支护：焊接网+W钢带;W钢带：材质Q345b，规格280×2.75×4300mm，五孔，孔间距为1000mm;释能让压装置：释能让压点15-17t，载荷显示4-6t。

顶板锚杆总支护强度：总屈服支护强度：79t/m;最大支护强度：108t/m。

（2）顶板锚索：

锚索类型：释能防冲锚索;锚索直径：21.8mm;破断强度57t;锚索长度：正常段锚索长度8200mm;锚索安装载荷：≥15t;释能装置：释能点26-30t;高强JM托盘：200×200×12mm，与JM锚索梁配套使用;JM锚索梁：3000×330×5mm;锚索布置：工作面顺槽（宽4.5m）锚索按三三三布置。排拒1200mm。

顶板锚索支护强度：

掘进期间支护强度：142.5t/m;回采期间支护强度：142.5t/m;帮部锚索参数：无。

顶板实际总支护强度：

掘进期间：221.5t/m，安全系数为1.6（锚杆按照屈服强度）;回采期间：221.5t/m，安全系数为1.05（锚杆按照屈服强度）。

5 结束语

本支护方案已在新河煤矿730采区多条巷道使用，有效解决了断锚杆、断锚索现象，使用的锚杆、锚索及让压装置均为高冲击功材质材料，让压装置有效缓解了巷道变形造成的支护体系破坏情况的发生。