同忻矿5311回风平巷沿空掘巷让压支护技术研究及应用

黄端云，徐青云，张永春

(1.山西大同大学 煤炭工程学院,山西 大同 037003；2.晋能控股集团有限公司 同忻煤矿，山西 大同 037003)

在较复杂地质条件和强采动影响下，沿空掘巷常规支护系统的稳定性难以保证[1]，使矿井的生产效率及其安全受到了极大的影响，矿井的采掘平衡难以保证。为此，调整和优化沿空掘巷的支护参数，提高其支护性能迫在眉睫。

为解决此类问题，我国的一些学者和专家以及从事矿山技术的工作人员进行了大量的实验研究，从实验研究的基础上总结出许多可行性并且值得借鉴的成果。其中，黄万明等[2]提出“钢管混凝土支柱+柔性垫层”沿空留巷巷旁支护，对比其他以往的支护方式显现出了若干优点，例如：性价比高，工艺流程简单，在沿空留巷工程中得到了很好的应用。康红普等[3-5]提出高预应力强力锚杆支护技术，为了保证围岩的稳定性，使锚杆和围岩在共同作用下形成高强承载体，所以要对围岩施加较高的压力，使围岩的离层、滑动及裂纹的产生及发展得到控制，使围岩变形后的强度及弹性模量等力学参数提高，若想满足上述要求则可通过高预应力锚杆来实现。何满潮[6]指出，如果所确定煤巷属于软岩时，那么选择最佳时段进行锚杆支护，不仅能充分释放出围岩的变形能而且还能发挥围岩的自承载能力，从而以最小的锚杆支护力达到最好的支护效果。柏建彪等[7]提出了深部巷道围岩控制的基本技术和控制过程，其目的是为了加强锚固区围岩的强度，增强围岩稳定性而采用高预紧力、大延伸量的高强度锚杆、锚索支护系统。

文章基于上述研究成果，结合同忻矿三盘区5311回风巷(沿空掘巷)实际工程地质条件，分析了现存支护方式所存在的问题，并进行了对巷道支护方案的优化。

1 工程概况

1.1 工作面地质条件

8311工作面位于井田西部、三盘区的西南部，东部为三盘区三条盘区大巷，北部为实煤区，南部为三盘区8309工作面采空区，西部为同忻矿与马脊梁矿井田边界。主采3～5号煤层，煤层厚度9.16～17.98 m，其厚度的平均值为14.91 m；煤层倾角0～4°。平均倾角2°；煤层顶底板情况如表1所示。平面布置如图1所示。5311回风巷巷道的断面形式为矩形，其尺寸大小为掘宽×掘高=5.2 m×3.95 m，净宽×净高=5 m×3.7 m，巷道沿煤层底板掘进。

表1 煤层顶底板情况

图1 5311巷平面布置图

1.2 巷道原支护方案

5311回风巷原支护方式为“锚索+锚杆+W钢带+JW钢带+金属网+喷砼”联合支护，W钢护板BHW280 mm×300 mm×4.75 mm与帮锚杆相互配合使用，钢托板托盘为150 mm×150 mm×12 mm拱形可调心。帮部锚索煤柱侧第一排、第二排采用直径为21.8 mm×4 300 mm，间排距为900 mm×900 mm。采煤侧第一排、第二排采用直径为21.8 mm×6 300 mm的预应力钢绞线与300 mm×300 mm×16 mm高强球形托盘相互配合使用，其间排距为900 mm×900 mm，见图2。5311回风巷原支护方式下支护密度大，刚度大，巷道围岩控制未达到预期效果，严重影响了巷道的正常作业。分析原因主要有：帮部锚杆和锚索参数选取不当，难以满足预警力要求。因此，想使巷道正常作业则必须改善原有支护参数，使巷道围岩支护的稳定性得以提升。

1.3 存在的问题

1) 锚索支护设计不够科学。锚固支护设计通常使用工程类比法，支架形状和参数不合理，过度的支护保护会导致过度的支护强度，从而导致材料浪费。

2) 锚索支护数量较为密集。由于锚索延伸率低，临近采空区顶板破断动载，导致锚索拉断，帮部锚索直径较大，施工过程较为困难。

3) 帮部锚索数量较多，支护强度过剩，导致锚索支护材料的成本提高。

图2 巷道原始支护断面图(mm)

2 新型支护体让压特性研究

2.1 让压管承载特性试验研究

图3，图4纯塑性变形。在弹性方面，单泡让压管没有明显变化，伴随着压力增加到压力点，装置会发生膨胀和压缩变形，其特征明显可见，载荷的下降趋势也明显可见，直至失效。 可以看出，在压缩阶段，变形为塑性变形，变形速度快。

图3 单泡让压管作用变形前后

图4 双泡让压管作用变形前后

通过对比让压管变形前后的比较以及图5、图6荷载和让压位移的分析，得出锚杆、锚索让压管结论。

图5 单泡让压管荷载位移曲线图

图6 双泡让压管荷载位移曲线图

根据让压管载荷-位移曲线图可知：单泡让压管让压点Rb=210.50 kN，最大让压行程Dmax=23.6 mm;双泡让压管让压点Rb=455.89 kN,最大让压行程Dmax=19.5 mm。可以看出，让压管压缩实验分为三个阶段：在第一阶段，让压管处于线弹性阶段，让压管所加载荷与其变形成正比关系。即使所加载荷量上升速度很快，但处在线弹性阶段的让压管的变形量却很小。在此阶段中，尽管让压管吸收了围岩变形的能量，但是让压管所发生的变形不会太大。在第二阶段，让压管将脱离原先的弹性状态进而演变为塑性状态，这时压力管将吸收大部分能量，从而使得塑性变形迅速增大，由于硬化作用，使让压管产生不可逆的塑性变形。支护系统在这一塑性阶段，由于压力管吸收了大部分围岩变形性能才得以迅速达到屈服极限。在第三阶段，让压管所能吸收的能量极限逐渐小于所施加的应力，随着时间的推移，让压管的变形逐渐增大，压力作用逐渐丧失。

2.2 让压管作用原理

当围岩发生松软破碎时，巷道围岩的变形也会发生改变，为防止锚杆和锚索在加强支护时因延伸超过极限而断裂，所以将让压管装在锚杆或锚索托盘处与高强螺母之间。图7为让压装置安装示意。

图7 让压装置安装示意

让压装置安装在托盘与螺帽之间。为了实现锚杆(索)耦合支护，有效控制围岩的变形破坏，通过尾部让压支护装置的让压能力，使锚杆(索)适应围岩大变形特性环境，在其特性下不受破坏，并具有稳定的高强度支护阻力，充分发挥锚杆(索)的高强度让压特性。当巷道围岩处于高应力环境下，变形的让压管得到缓冲吸能，在释放大部分能量的同时，应力对锚杆(索)的影响也大大减少，而且锚杆(索)的延伸率也得以增加。

3 巷道优化支护方案

通过对两帮支护参数的调整与优化，以此来解决巷道围岩变形控制效果不理想的问题，优化后的方案如图8所示。

图8 巷道优化支护断面图(mm)

1) 锚杆采用单泡让压管，锚索采用双泡让压管，增加锚索的延伸率，抵抗采空区坚硬顶板破断产生的动载冲击。顶锚杆直径22 mm，让压管承压17～20 t，高度40 mm左右；帮锚杆直径20 mm，让压管承压12～15 t，高度40 mm左右；锚索直径21.8 mm，让压管承压32～35 t，高度90 mm左右。

2) 顶板支护形式未发生改变，两帮的支护进行了优化，两帮以高强度锚杆支护为主，锚索打在两排锚杆中间，将帮部D21.8 mm的锚索改成D17.8 mm的锚索，长度不变。顺巷试验50 m。图9为帮部优化后锚杆，图10为帮部优化后锚索。

图9 帮部优化后锚杆

图10 帮部优化后锚索

3) 提供的解决方案可帮助帮锚索预紧力达不到所需的压力，在打完锚索孔后，通过风或水清洁孔，增加现场吹孔时间，增加锚固剂和孔壁的接触面积，减少孔内残留物在洞中，增加锚固力。

4 支护效果评价

1) 通过巷道表面位移观测，让压支护效果非常明显，顶板采用让压支护后与之前巷道顶板变形量相比，减少30%，帮部采用让压技术后于之前巷道两帮变形量相比，减少25%.

2) 采用让压支护的方法提高了生产效率，锚杆和锚索破断的现象也基本得以消除。

3) 通过现场试验采用让压管支护，增加了锚索的延伸率，同时也抵抗了采空区坚硬顶板破断产生的动载冲击。

5 结 语

研究基于对沿空巷道原支护系统下两帮变形破坏严重及锚杆、锚索拉断等问题的分析，通过让压结构原理分析和实验对巷道两帮支护参数进行了优化。研究表明表明：

1) 基于8311工作面地质和开采条件，分析得出原支护方案存在的主要问题为5311巷道原支护形式和参数不合理，支护效果差，支护成本高。

2) 为解决锚杆锚索支护延伸量超出极限导致的破断问题，对支护结构进行了让压设计。实验表明，让压支护结构可以提高围岩的吸能效果，保证支护系统的稳定性。

3) 通过调整优化巷道两帮支护参数，在降低支护成本的基础上，有效控制了巷道围岩。