高应力千米埋深综掘煤巷全锚索支护技术研究

房万伟 李 洋 陈业强

(内蒙古福城矿业有限公司, 内蒙古 鄂尔多斯 014217)

随着巷道埋深超过1000m，原有支护方式无法满足现场支护强度需求。为减少巷道变形，确保后期安全开采，2018年8月份长城二矿开始对1907S运输巷进行支护改革。通过初始设计—实施设计—矿压观测—修改初始设计四个步骤，确定了合理的支护参数，加强巷道顶板管理，提高巷道支护强度。经过1030m的支护试验，顶底板及两帮变形量均满足设计要求，实现了安全、快速、高效掘进。

1 工程概况

1907S运输巷设计长度1010m，巷道对应地面标高为+1252～ +1257m，底板标高为+240～+320m，巷道埋深约937m～1012m。采用EBZ-230综掘机沿9上煤顶板掘进。

掘进巷道位于9层煤内，9层煤分上下分层，分层夹矸为粉砂岩，厚0.18～1.4m，实际揭露平均厚度0.68m。其中9上煤，厚1.3m～0.9m，平均1.10m；9下煤，结构复杂，含2～3层夹矸，厚2.45m。9上煤顶板为灰岩，9上煤顶板实际施工过程中近600m存在泥岩伪顶，平均厚度0.45m，其上灰岩实际揭露厚度1.1～1.7m；再上为砂质泥岩，实际揭露0.5～1.7m；再上为粉砂岩，厚9.35m。9层煤底板为细砂岩，厚4.2m；再下为10煤，厚0.66m。

2 支护设计

2.1 巷道断面及支护方式

巷道净宽×中净高=4.5×3.5m，S荒=16.9m2，S净=15.7m2。

巷道采用前探梁临时支护，顶板采用锚索带网支护，两帮采用锚带网进行支护。具体如下：顶板锚索采用1×19结构钢绞线制作，规格为Φ17.8mm×L4200mm，配“W”钢带及钢塑复合网支护，锚索间排距1200mm×1500mm。两帮采用MSGLD-600(X)等强螺纹钢式树脂锚杆（Φ22mm×L2400mm）配“W”钢带及双向拉伸塑料网支护，上帮锚杆间排距1300mm×1200mm，下帮锚杆间排距1000mm×1200mm；锚杆托盘规格145mm×145mm×10mm。

2.2 支护参数选取依据

2.2.1 锚索的长度计算

L=La+Lb+Lc+Ld

式中：

L-锚索总长度，m；

La-锚索深入到较稳定岩层的锚固长度，取1.5m；

Lb-需要悬吊的不稳定岩层厚度，掘进中不稳定岩层最厚为2.2m；

Lc-上托盘及锚具的厚度，取0.15m；

Ld-需要外露的张拉长度，取0.2m。

L=La+Lb+Lc+Ld=1.5+2.2+0.15+0.2=4.05m

考虑一定的安全系数，且根据计算取顶板锚索长度L=4.2m。

2.2.2 锚索排距计算

B=n×Q/（K×S×Y）

式中：

B-锚索排距，m；

n-每排锚索的根数，取4；

Q-锚索的极限承载力，取379×0.8=303kN；

K-安全系数，取1.5；

S-顶板冒落的面积，m2；

S=0.5×h×H（其中h为潜在冒高，H为巷道宽度，h=1.5H=1.5×4.7=7.05m）

Y-煤岩体容重，取25kN/m3。

得：B=1.95m＞1.5m

结合计算，类比邻近巷道，并考虑一定的安全系数，确定支护设计为顶板锚索采用1×19结构钢绞线制作，规格为Φ17.8mm×L4200mm，锚索间排距1500mm×1500mm以内均符合要求。具体支护设计图见图1。

3 全锚索支护配套的五项实用技术

3.1 临时支护装置优化

巷道前期采用4寸圆管作为前探梁，因锚索外露150～250mm，导致吊环长度过长，前探梁无法接顶。为此设计使用M钢带桁架梁代替吊环。每根前探梁使用M钢带桁架梁悬挂在顶板锚索上，桁架梁全长1.5m，按照锚索间距割眼并加工挡块，防止前探梁管子滚动。通过锚索锚具将桁架梁固定在锚索上，拖住前探梁，吊挂牢固，确保临时支护接顶有效可靠[1]。新型全锚索临时支护前探梁固定图如图2所示。

图1 巷道全锚索支护设计图

图2 新型全锚索临时支护前探梁固定图

3.2 顶板钢带尺寸及外露长度优化

前期顶板使用“W”钢带规格为4300×280×3mm， 孔 距 1300mm， 端 部预留200mm。现场施工时，使用规格为300mm×300mm×16mm的锚索托盘后，托盘超出钢带端部，在涨紧过程中，因直接接触顶板钢塑复合网，导致顶板网破坏。为此把钢带端部预留长度由200mm更改为350mm，确保了顶板钢带对网的保护，杜绝了肩窝网兜的产生，同时增加了有效支护面积。

3.3 锚索托盘尺寸优化

通过试验进一步优化锚索托盘尺寸，把原有规格为300mm×300mm×16mm（单价85.13元/个）调整为规格为200mm×200mm×12mm（单价36.33元/个）。在确保支护强度的前提下每个托盘节约了支护成本48.3元。

3.4 试验注浆锚索对顶板进行注浆加固

因1907S运输巷后期沿空留巷，为此设计把巷道顶板靠上帮的Ф17.8×4200mm锚索调整为Ф21.6×6200mm注浆锚索（预计11月下旬试验）。严格按照沿空留巷设计位置、角度打设，确保切缝后仍能够满足支护注浆要求。待爆破切缝后通过顶板注浆，把破碎离层顶板重新胶结成整体，增加悬臂梁结构顶板的自承力和完整性[2]。

3.5 设计综掘机液压系统涨紧锚索

为提高锚索涨紧速度，前期使用风动锚索涨拉器，后期研究从综掘机液压系统接入锚索涨拉器，通过综掘机液压系统实现锚索快速涨紧。

4 支护效果及经济效果分析

4.1 支护效果分析

为对比全锚索支护的效果，在锚杆支护及不同支护参数的全锚索支护巷道，分别设立一组围岩观测点，每个观测点5组测点，采用十字布点法进行布设，在顶板安设离层仪、两帮各安设3个锚杆测力计。每隔10d进行一次数据采集分析，通过线性回归，选取在误差范围内的数据绘制变化曲线[3]。

4.1.1 前期锚杆支护情况分析

采用锚杆支护顶板时，巷道变形大。110d内顶底板下沉量呈线性增长，120d后趋于平稳，顶底板下沉量平均最大达到127mm。0～80d内巷道两帮移量近呈线性增长，80d后两帮移量平均达到95mm后开始趋于稳定，最大变化量99mm。0～60d内巷道底鼓量近呈线性增长，60d后底鼓量平均达到45mm，最大底鼓量49mm。具体变化曲线见图3。

图3 全锚杆支护巷道顶底帮移近量变化曲线

4.1.2 顶板全锚索支护情况分析

采用不同间排距的顶板全锚索支护顶板时，巷道变形较小。50d内顶底板下沉量、两帮移近呈线性增长，50～60d内趋于平稳，此时处于锚索伸缩预应力阶段，60～80d后趋于稳定，顶底板下沉量平均最大达到77mm。40d内巷道两帮移量近呈线性增长，60～70d内趋于平稳，此时处于顶帮受力重新分布阶段，100d后趋于稳定，两帮移量平均达到64mm后开始趋于稳定，最大66mm。70d内巷道底鼓量近呈线性增长，70～100d内趋于平稳，此时处于顶帮受力重新分布阶段，100d后趋于稳定，底鼓量平均达到42mm。后开始趋于稳定。具体变化曲线见图4。

图4 全锚索支护巷道顶底帮移近量变化曲线

通过对比分析，使用全锚索支护顶板比全锚杆支护顶板，顶底板下沉量减少65%，两帮移近量减少50%，底鼓量减少16.7%。

4.1.3 不同支护参数的顶板全锚索支护设计分析

在保证巷道变形量最小的情况下，尽可能降低材料费用投入及人工投入，为此进一步优化支护参数，通过采取不同间排距全锚索支护顶板进行对标分析，最终确定最优设计参数[4]。具体变化曲线见图5。

图5 顶底板下沉量变化曲线

通过对比分析，当顶板锚索间排距为1.2×1.5m时，巷道顶底板下沉量最小，经济对比更合理。为此最终确定巷道全锚索支护参数为顶板锚索间排距为1.2×1.5m。

4.2 经济效果分析

（1）1907S运输巷通过支护设计优化结合理论计算，顶板支护由高强锚杆间排距1000×1200mm，调整到锚索支护间排距1200×1500mm，延米材料费用降低202.81元/m，巷道总体支护成本降低29.3万元。

（2）与锚杆支护相比，锚索支护进度未减少。因锚杆全部施工在灰岩中，打眼速度明显降低，锚索孔通过相同距离的灰岩后进入泥岩，打眼速度明显提高。通过现场比对，顶板打安5棵锚杆与打安4棵锚索时间基本一致，从而确保了施工进度。

5 结束语

在高应力、大埋深条件下，采用顶板全锚索支护可以降低巷道顶底板移近量、两帮移近量及巷道底鼓量，五项配套技术确保了巷道顶板锚杆支护向全锚索支护的顺利过度。通过现场应用及后期数据分析证明全锚索支护参数满足顺槽巷道在回采期间的安全，为相似条件下巷道施工提供了借鉴。