镇城底矿掘进工作面快速过构造支护技术研究

周跃飞

（山西焦煤西山煤电镇城底矿，山西 古交 030203）

0 引言

镇城底矿是西山煤电古交矿区五对矿井之一，山西能源和新型工业基地重要组成部分，国家“六五”重点建设项目。井田位于西山煤田的西北边缘，地处古交市西北，汾河沿井田北部穿过。

巷道稳定性主要取决于岩石应力、岩石强度、地质构造及其相互作用。高构造应力和极破碎岩体是断裂带最常见的地质特征[1]。煤矿断裂带通常富含断层泥、裂隙水或瓦斯，加剧了矿井瓦斯的危险性。随着开采强度和开采极限的增加，我国地下煤矿巷道深度越来越大，最大开采深度可达1 365 m[2]；巷道地质条件日趋复杂；而巷道的位置、断面和应力状态均不利于其稳定性。这些趋势对锚杆支护技术提出了更高、更严格的要求；为此，进行了完整的锚杆支护技术研究。

1 地质条件和问题

1.1 地质条件

矿井布置采用一对斜井单水平开拓，主运输水平标高+760 m。主采2.3号和8号煤层，煤质以肥煤、焦煤为主。自燃倾向为Ⅱ类自燃煤层，煤尘均具有爆炸性。2016年10月21日升级为高瓦斯矿井，混合式通风，水文地质条件复杂，属带压开采矿井。

22209运输顺槽在A号点前51 m处揭露一条落差为2 m的上跳正断层，为保证通过断层期间施工的安全和质量，特制高预紧力强化复合支护技术。断层平面位置示意图如图1所示。

图1 断层平面示意图

1.2 问题分析

尽管锚杆支护技术取得了很大的进步，但仍存在一些问题。高强度锚杆支护在深部复杂巷道的支护性能较差，锚杆构件破坏严重，问题归纳如下[3-4]：

1）低支撑刚度。支承刚度与预应力和锚固类型有关，高支承刚度只能通过高预紧应力与全长锚固相结合来实现。安装螺栓的旋转力矩只有100～150 N·m，或者说预张力是向上的在大多数情况下为15～20 k N。

2）螺栓和电缆的肌腱强度较低。对用于高强度螺栓的现有筋，其屈服强度约为335～400 MPa，断裂强度约为500～600 MPa。电缆直径为15.2～17.8 mm，破断力约260～350 k N。

3）端螺纹质量差。螺纹质量差会增加螺母和螺纹之间的摩擦力降低从螺母的自旋力矩到肌腱预紧力的过渡速率；另一方面，不良的螺纹质量也会使后应力状态恶化，导致剪切、弯曲、断裂。

4）贬值表面防护组件，如板，带，和金属网。带低强度和刚度常用来降低材料成本，降低表面抗压能力，影响表面抗压性能总支持性能。

5）螺栓密度高。每平方米锚杆数越多，安装时间越长，巷道掘进率越低。

为解决上述问题，在此基础上开发了高预紧强化支护系统。

2 高预紧强化支护理论

目前，对于高应力大变形复杂巷道的支护存在2种不同的理论。

2.1 二级支护理论

根据二次支护理论，对高应力大变形巷道支护应分为2个阶段：第一次支护应在保证巷道稳定的情况下，允许围岩变形并释放应力；应设置二次支护，使巷道的长期稳定性在一定的区间内保持。该理论已被广泛接受应用，并在一定条件下取得了良好的性能。但这一理论正面临着越来越多的挑战，开采深度的增加，加上复杂的地质和开采条件。道路受到强烈的采矿活动,或减少地质不连续、弱和破碎的岩石区域,变形后仍未被接纳的二级支持，第三甚至第四支持必须应用在一些时期,但变形长期不能控制。

2.2 高预紧支护理论

该理论的实质是大幅度提高锚杆的初始刚度和强度，控制围岩位移，保持围岩完整性，缓解围岩强度的下降。为避免二次支护和巷道养护，采用高预紧支护技术，应满足以下条件：

1）螺栓系统应具有足够的初始刚度和强度。预张应力及其扩展效应将起关键作用。一方面，保持整体螺栓结构的完整性；另一方面，在锚杆和锚索中维持较高的锚固力，并将压应力扩散到岩石中。

2）支护系统应具有较高的延伸率，允许围岩在一定程度上变形，但在使用期间不能超过位移极限。

3）应随时进行地下支护，以适应现场管理，有利于快速推进。

4）支护系统可以降低支持的总成本，经济合理。

在现有锚杆支护技术基础上，发展高预紧强度支护系统是解决高应力复杂巷道问题的可行选择。

3 巷道支护

3.1 高预紧应力所用材料

中国煤炭科学研究院煤炭开采设计分院开发了高预张强度支护系统，包括高强度锚杆、低粘度高强度树脂胶囊、高强度疏水阀、高强度锚索。

3.1.1 高强度螺栓

1）肌腱形状的设计应遵循4个原则：①合理的肌腱与钻孔间距，使肌腱入孔容易；②有利于高粘结能力和性能；③沿肌腱均匀施力；④后侧容易施加高预紧应力。目前,该肌腱为左旋螺纹，无轴脊隆起，可满足上述4项要求，是当前支撑系统的理想选择。肌腱公称直径约22～25 mm，长2.0～3.0 m。

2）肌腱材料选择，一般来说，国外公司使用的筋材屈服强度在400～600 MPa左右，甚至更多，断裂力在200～300 k N左右。在美国，产品屈服强度约为414～689 MPa，断裂强度约为621～862 MPa。在英国，产品的屈服强度在640～720 MPa左右。本文选用了BH R B500,BH R B600 2种材料，见表1。

表1 肌腱材料性能

3.1.2 辅助部件

除了肌腱外，还开发了与肌腱配套的螺母和钢板。减小摩擦力在板与螺母之间，最大限度地将自旋力矩转化为预紧力，从而达到防摩擦垫圈的作用。

高强度带：带是高预应力强化支护体系中的关键部件，对分散锚杆的预应力和阻力，扩大锚杆的作用跨度，提高支护总能力起着重要作用。W型带材是经过几道轧制和冷弯工序而成。W型表带保护更大的比表面积，具有更高的强度和刚度，作为螺栓组件表现出良好的性能。W带的主要缺点是：当W带较薄且应力较大时，钢板可能穿孔，导致W带内部发生剪切破坏或破裂。为配合强强度螺栓的力学性能，选用高强度W带：一种方法是增加带的厚度，从2.5～3 mm增加到4～5 mm，并将破碎载荷增加到500 k N；二是在不改变表带尺寸的情况下，选用强度较高的钢材。

针对煤矿用高伸率、超高强度钢绞线存在的问题，选用了高伸率、超高强度钢绞线。这些线是由一种新型的1×19的形式。配合支撑强度和一系列不同直径的线：ϕ18、20、22 mm。机械性能见表2。

表2 钢绞线机械性能

锚杆用板类型。平板是最常用的，另一种板是槽钢（12、14号），但这2种板的机械性能较差。当索的预拉力或荷载较高时，平板往往在其周长处翘曲，其承载能力急剧下降；槽钢制成的板容易变形，在某些情况下穿孔导致电缆失效。为克服钢板的上述缺陷，研制了三维尺寸为300 mm×300 mm×16 mm的带中心调节垫圈的圆拱板。一方面，该新产品增加了负载能力，以匹配密集缆线；另一方面，该板允许调整其中心，提高机械性能，充分发挥缆索的能力。

3.2 支护方案

永久支护：过断层期间及前后5 m范围内，巷道顶板采用“左旋螺纹钢锚杆+锚索+钢筋网＋梯子梁”进行支护，锚杆间排距为0.93 m×0.9 m，锚索间排距为1.86 m×0.9 m，锚杆、锚索全部布置在梯子梁眼内，锚索占锚杆眼位布置（每排布置3根锚杆，3根锚索，锚索分别在梯子梁2、4、6号和1、3、5号眼位交错布置），呈“六·六”矩形布置。根据现场情况适当增加锚索数量，保证顶板支护有效。锚杆、锚索全部垂直顶板打注，循环进尺0.9 m。

两帮采用“左旋螺纹锚杆+铁丝网+梯子梁”进行永久支护，按每排每帮3根布置，间排距1.1 m×0.9 m，每排锚杆最上一根距顶板0.4 m；循环进尺为0.9 m（见图2），图3为高预紧支护状态。

图2 永久支护平、剖面图

图3 高预紧支护状态

3.3 锚杆、锚索临时支护

1）采用DW 31.5-30/100B型临时支护用单体液压支柱搭配木柱帽（500 mm×200 mm×200 mm）挑钢筋网作为临时支护。

2）临时支护操作方法：掘进够一个循环（0.9 m）后,必须进行详细的“敲帮问顶”确认无隐患后，作业人员站在永久支护下将钢筋网联起，2人配合在永久支护下用自制专用推网装置将钢筋网推起与顶板相贴合，然后将2根带帽单体液压支柱分别固定于距掌子面0.6 m处，单体间距为1.8 m。用注液枪给单体液压支柱注液，使单体液压支柱与钢筋网和顶板紧贴。

最大、最小控顶距与控帮距：①顶锚杆、锚索距工作面的最大距离为1.1 m，最小距离为0.2 m；②帮锚杆距工作面的最大距离为1.1 m，最小距离为0.2 m，如图4所示。

图4 临时支护示意图

4 结论

与现有锚杆锚索支护方式相比，强化锚杆锚索的复合支护体系使得支付效果得到显著提高。高强度锚杆、锚索、低粘度高强度树脂胶囊、高强度带、钢网共同构成了高预张强度支撑体系。高张拉强度支护系统有效控制了断层带巷道围岩位移和顶板离层，以及受强采动影响的巷道。位移可降低70%～90%，顶板离层仅为初始值的5%～10%（见图5），即使没有监测到离层，支护状态也发生了本质的变化。

图5 联合支护后位移