厚煤层大断面煤巷高预应力支护技术研究

冀海鸿

（山西华阳新材料科技集团有限公司，山西 阳泉 045000）

1 阳煤一矿81403 工作面概况

阳煤一矿81403 工作面位于81401 工作面（已回采）以南，本采区81405 工作面（未掘）以北，北翼十四采区西回风巷以西，本采区西部采区边界以东。该工作面为综放工作面，巷道布置在15 号煤层中。81403 工作面进风巷总体构造形态该巷道总体构造形态为一单斜构造，根据周边地质资料分析，预计在掘进过程中会遇到一些落差2 m 左右的断层及挠曲构造，对掘进造成有一定影响。煤层最大厚度为7.3 m，最小厚度为6.3 m，平均厚度为6.9 m，煤层普氏硬度系数为f=1.5。煤层顶底板情况如表1。

表1 煤层顶底板情况表

2 地质力学参数测试

通过前期试验和推进，完成3 个测站的地应力参数测试，完成6 个钻孔的巷道围岩强度测试，该矿所测地应力统计结果如表2。

表2 地应力测试结果统计

区域水平主应力最大值为18.19 MPa；最小水平主应力最大值为9.42 MPa。根据相关判断标准：0～10 MPa 为低应力区，10～18 MPa 为中等应力区，18～30 MPa 为高应力区；大于30 MPa 为超高应力区。按照相关地应力量级标准可划分测试区域地应力场在量值上属于中等偏高应力值区域。

3 巷道结构及稳定性分析

该矿15 号煤层巷道具有稳定性差、变形强烈的特点。一是巷道围岩锚固性能差，尤其受到瓦斯抽放影响的松软厚煤层巷道，围岩破碎，锚杆锚索锚固力低下，传统的高预应力锚杆锚索支护系统无法充分发挥支护作用；二是巷道顶帮围岩差异性大，不易形成稳定承载结构，尤其构造应力占主导的动压巷道，在受到回采影响后两帮剧烈变形，导致巷道顶底板受挤压而弯曲变形，从而诱发巷道失稳破坏，矿压显现明显，巷道支护困难，有时出现反复维修现象，甚至安全事故，分析可能原因如下：

3.1 巷道围岩条件差，稳定性不好

由于开采煤层深度增加，煤层整体发育变化较大，煤层节理、裂隙发育，煤层强度较低，完整性较差。

3.2 巷道沿顶底板掘进，巷帮支护难度大

本工作面为综放工作面，巷道属于大断面巷道，受掘进动压等影响，容易出现破碎变形，需提升两帮支护的刚度、强度以及整体协调性。

3.3 巷道应力大，巷道底鼓严重

由于受到巷道相邻工作面的采动影响，加上深埋巷道的水平构造应力影响，巷道在采掘期间容易出现底鼓现象。

3.4 瓦斯抽放对巷道支护造成影响

15 号煤层瓦斯含量较高，在施工期间需要对煤层进行超前预抽孔和局部释放孔，数量众多的抽放孔会对巷道围岩完整性和稳定性产生明显不利影响，进一步加深巷帮煤体的破碎，导致巷道支护困难。

4 设计方案与技术参数

4.1 原方案评价分析

顶板采用全锚索进行支护，采用6 根长短锚索交替布置，规格为Φ17.8-7200/5200，其中7.2 m 锚索按照“二四”和“三五”进行轮流布置，锚索托板为240 mm×200 mm×85 mm 铸钢锚索托板，锚杆配合采用波纹钢带护顶，规格为4-220-5100-940-6。巷帮采用4 根直径20 mm、长度2 000 mm的圆钢麻花锚杆，钢号为Q235。锚杆托板采用350 mm×120 mm×40 mm的花式托板。全断面挂网，顶部、两帮网片采用经纬网。锚索的间排距为950 mm×800 mm。顶锚索预紧力要求为170 kN（45 MPa），帮锚杆锚固力要求50 kN，锚杆预紧力矩120 N·m。

对井下围岩变形进行观测统计，发现巷道顶板相对稳定，下沉量较小，除个别段有坠包和弯曲下沉现象，大部分相对较平整；巷道两帮变形相对明显，部分段两帮片帮、破碎，出现兜网和锚杆后空现象，部分区段巷道宽度不足5.0 m，两帮变形达300 mm之多。巷道顶板采用全锚索支护，顶板强度和刚度相对较高，可主动及时支护围岩，控制顶板变形。

4.2 支护设计

根据地质条件、优化数值模拟及工程实践经验，采用顶板全锚索、巷帮锚杆组合方式进行支护。

顶帮锚索17 股结构17.8 mm 钢绞线，长度6.2 m，锚固长度为1 360 mm。

W 钢带规格280 mm×4 mm×5 400 mm，经纬网规格6.1 m×1.1 m，材料为10 号铁丝，网孔规格50 mm×50 mm，搭接100 mm，16 号铅丝双边联接。

锚索配套300 mm×280 mm×12 mm 高强度可调心W型托板及配套调心球垫，托板高度50 mm，两凹槽间距210 mm，托板承载能力500 k N 以上。顶板每排6 根，间距1.0 m，排距1.0 m，全部垂直顶板布置，考虑到施工要求，允许5°误差；锚索预紧力300 kN。

巷帮锚杆为335 号左旋无纵筋螺纹钢，规格20 mm×2 000 mm，配套高强调心球垫和尼龙垫圈，托板尺寸150 mm×150 mm×10 mm，承载能力不低于154 kN。W 钢护板规格450 mm×280 mm×4 mm。网片规格3.1 mm×1.1 m，网孔50 mm×50 mm，搭接100 mm，用16 号铅丝双边双丝搭接联接。巷帮每排4 根锚杆，间距0.9 m，排距1.0 m，预紧扭矩300 N·m。巷道支护布置如图1 所示。

图1 新方案支护示意图（单位：mm）

5 矿压监测分析

1 号测站巷道表面位移监测曲线如图2，可知巷道顶板的最大下沉量约85 mm，掘进巷道高度3 600 mm，顶板变形量占比很小；两帮最大移近量约65 mm，巷道掘进宽度5 200 mm，两帮整体变形较小。

图2 1 号测站表面位移监测曲线

2 号测站巷道表面位移监测曲线如图3，可知2号测站巷道顶板的最大下沉量约31 mm，掘进高度为3 600 mm，顶板变形量占巷道高度比例很小；两帮最大移近量约28 mm，巷道掘进宽度5 200 mm，两帮整体变形较小。

图3 2 号测站表面位移监测曲线

通过两组表面位移监测可知，两帮最大变形量约65 mm，顶板最大下沉量约85 mm。考虑到煤炮震动和煤质松软，相对于巷道断面尺寸，巷道变形整体来看较小，满足预计变形要求。从变形时间来看，巷道的变形量主要集中在掘进工作面30 m 范围内，超过此范围巷道的变形量趋于稳定，说明巷道支护效果较好。

锚杆锚索受力监测分析，结合前述巷道位移变形，可知：试验巷道两帮中间部位围岩应力较大，锚杆受力明显，在支护时要加以重视；锚索受力较大，最大值接近250 kN，然后稳定维持在高应力状态，较好地支护了巷道围岩。锚杆锚索受力变动主要发生在前2 d 时间内，然后趋于稳定；巷道整体变形较小，巷道掘进期间处于安全可靠状态。

6 支护效果分析

通过对81403 工作面进风巷高预应力支护优化，提高了顶帮支护强度，优化了支护材料规格，实现了对顶板的可靠支护，改善了巷道状况，效果良好。

6.1 改变原有支护观念，推行高强预应力支护技术

通过此次试验，改变了原有巷道支护思维观念，逐步推广“三高一低”的高预应力支护理念。主要通过高预应力支护设计和材料完成，淘汰普通圆钢锚杆，使用高强度螺纹钢锚杆；提高锚杆扭矩和锚索预紧力，增加支护刚度，变被动支护改变为主动支护。

6.2 优化了支护材料性能及匹配性

通过推广新支护设计，不但提高了支护强度，增加了支护的可靠性，而且提供了结构更合理，强度更高的支护产品，支护各材料协调配合更加科学合理，顶板和两帮支护有力统一的体系。

6.3 经济效益突出

新方案由于提高了支护系统的强度和刚度，并减少了支护费用，提高了掘进效率；另一方面改善了巷道状况，减少了后期巷修成本的投入。