采空区下煤巷锚网索支护技术研究及应用

孟武峰，董 社，秦伟超

(河南能源化工集团焦煤公司古汉山矿，河南 焦作 454000)

采用分层开采厚煤层时，上分层回采期间，需在底板铺设金属网或塑编网作为下分层开采时的假顶，回采结束后，一般滞后1～2年时间待采空区顶板充分压实，形成稳定的再生胶结顶板后才能进行下分层工作面的掘进和回采。在下分层工作面煤巷掘进施工中，由于其巷道顶板为采空区冒落矸石和破碎煤体组合成的再生胶结顶板，顶板较为松软、破碎、稳定性差，若单纯采用传统的锚杆加固支护技术，整个锚杆杆体都可能处在破碎的围岩体中，着力点很难形成，无法发挥锚杆的支护作用，因此采空区下煤巷一般采用架棚为主的支护形式[1-3]。架棚支护属于被动支护，不能及时控制顶板围岩变形，与此同时，架棚支护结构本身承载能力小，易导致巷道顶板、两帮收缩严重，前掘后修、巷道支护困难。

目前，国内外对煤巷围岩控制方面所做的研究工作很多，并取得了大量成果[4，5]。相关学者在近距离采空区下煤巷支护和再生顶板控制方面的研究为本论文研究提供了有益借鉴，如：吴昕[6]运用弹塑性力学理论分析了近距离采空区下开切眼顶板的稳定性；郝登云、郭萌、李国栋、王龙飞、王震等[7-14]针对采空区下近距离和极近距离巷道布置和支护问题，通过现场调查、理论分析和数值模拟等手段，研究了采空区下方巷道围岩受力和变形情况，为巷道位置和支护方案的选择提供了依据；吕情绪等[15]针对与上部采空区间隔4m煤厚条件下的下分层切眼顶板支护问题，通过数值模拟分析、工程应用及现场实测，证明采用“锚网索+金属棚+单体支柱”联合支护形式可有效控制顶板位移；郝阳军等[16]针对下分层煤巷顶板破碎掘进过程中易发生冒顶及煤顶垮落等问题，应用超前预注浆技术，提高了巷道围岩的稳定性；孟庆彬等[17]通过数值模拟手段研究了极弱胶结地层条件下煤巷围岩变形与支护结构受力状态，提出了“双层锚固平衡拱结构”；马文强等[18，19]采用数值模拟手段，研究了再生顶板条件下巷道的变形、应力和塑性区分布规律，为巷道支护形式的选择提供了依据；李国志等[20]分析了分层煤柱巷道围岩大变形破坏特征及失稳机理，指出上覆岩层关键块体再次回转下沉是造成巷道大变形的主要原因。上述研究成果在实践中得到了验证并取得了较好效果，但对采空区下零距离煤巷全锚索支护研究方面所做的工作较少，相关理论和实践成果有待于进一步丰富。因此，研究探索采空区下煤巷围岩控制的方法和途径，不仅对提高下分层煤巷的支护效果很有意义，同时对多煤层开采及其他条件下穿垮落带、裂隙带的巷道支护也有借鉴意义。本文针对古汉山矿分层开采采空区下煤巷支护问题，分析了以往被动支护情况下巷道变形破坏的原因，提出了有针对性的全锚网索主动支护方案，并进行现场应用，为类似条件下的煤巷围岩控制提供了参考。

1 工程地质概况

古汉山矿为煤与瓦斯突出矿井，水文地质类型为极复杂。主采二叠系山西组二1煤层，煤层倾角10°～19°，平均厚度5.0m。开采水平-450m，最大开采深度707m。矿井因地质条件复杂、构造多、底板水压大，长期以来受高地应力影响。17采区西翼采用分层开采工艺，上分层采煤工作面17021工作面和17041工作面分别于2017年1月份和2019年2月份回采结束，回采高度2.6m，剩余煤厚平均2.4m。设计的17042工作面为下分层采煤工作面，位于已回采结束的17021工作面和17041工作面采空区下方。17042运输巷设计长度为463m，内错式布置，沿上分层回采期间铺设的人工假顶掘进，采用综掘工艺。巷道设计断面为矩形，巷宽4.8m，巷高2.9m。研究区域工作面相对位置关系如图1所示。煤层顶底板岩性如图2所示。

图1 工作面相对位置

图2 工作面顶底板煤层柱状图

2 巷道变形原因分析

2020年以前，矿井下分层煤巷一直采用“工钢棚+抬棚”的支护形式。受综掘机和二运长度的影响，抬棚支护滞后迎头25m以上，造成该段巷道掘进期间顶板支护强度低，尚未打上抬棚，工钢棚已受压弯曲变形，巷道断面缩小、面貌差，为后期工作面回采设备布置及其超前支护管理带来不利影响。回采前需要组织大量人力对变形地段进行扩帮蹬柱，标准化水平低，安全生产被动。经分析，巷道变形原因主要有以下几方面：

1)下分层煤巷围岩受上分层回采期间采动影响，煤体结构遭到破坏，巷帮煤体整体性较差、裂隙较多。且受煤层自身赋存条件影响，靠近底板0.5～1m的位置为粉状煤，煤体强度低。

2)下分层煤巷顶板为再生胶结顶板，顶板较为松软、破碎，稳定性差。

3)架棚支护采用梯形断面，综掘机截割后，巷帮上部煤体不易留存，片帮严重，架棚后棚腿接帮不实造成空帮。

4)工钢棚支护不可能紧贴围岩或全部紧贴围岩，只有当围岩破碎、离层后，随着围岩变形的增加，工钢棚支护阻力随之增加，才能发挥自身的支撑作用。而顶板因缺少主动支撑易产生离层、下沉，当工钢棚上方离层岩石重量超过工钢棚梁抗弯强度时，便出现弯曲变形。

5)顶板淋水造成围岩强度弱化。根据矿井多条下分层煤巷施工经验，巷道开口掘进初期顶板并不淋水，现场观察胶结顶板处于干燥状态，一旦顶板出现弯曲下沉、顶网坠兜，往往紧跟着就会出现顶板淋水，且变形越严重、掘进速度越慢，淋水越大。这说明，本身压实的胶结顶板具有隔水性，不存在导水裂隙，一旦顶板因支护不及时或强度不够产生离层、破断、下沉，在胶结顶板内产生导水裂隙，与水源沟通便造成淋水。而持续的淋水一方面会造成围岩强度弱化、顶板流矸；另一方面工人因冒雨作业施工困难造成掘进速度慢、空顶时间长，顶板下沉更严重。

针对工钢棚支护存在的缺点，矿井也采取了一些增大支护强度的措施，如：采用工钢对棚支护、架U型钢棚支护等举措，但受工钢对棚、U型钢棚施工复杂、工人劳动强度大、支护成本高、棚后不易褙实、后期回采期间替棚换棚工序多等因素影响，一直未大面积使用。

3 锚网索支护技术

3.1 锚网索主动支护方案

鉴于以上几种下分层煤巷支护方式存在的不足，矿井不断尝试支护形式变革，在前期15采区下分层煤巷注浆钻场试验全锚网索支护形式的基础上，提出了17042运输巷全锚网索支护方案。具体支护参数为：顶板采用∅18.9mm×8000mm高强预应力锚索，顶板每排5根锚索，锚索排距为800mm，锚索预紧力不小于200kN，设计锚固力不小于400kN；巷帮上部煤体段采用∅18.9mm×4300mm高强预应力锚索，下部破底矸段采用∅18.9mm×2500mm高强预应力锚索，上下帮每排各4根，排距800mm，锚索预紧力不小于150kN，锚索托盘采用蝶形托盘配合钢丝绳梯使用；顶板中间锚索梁采用2400mm长的12#工钢组合对梁配合蝶形托盘使用，顶板两侧采用800mm长的12#工钢短梁，锚索梁上沿巷道走向方向铺设2根Φ18.5mm钢丝绳作为柔性支护，钢丝绳间距为1500mm，允许误差±200mm。支护方案如图3所示。

图3 巷道支护方案(mm)

3.2 技术关键点

1)巷道断面形式优化。由以往梯形断面变更为目前矩形断面，解决了两帮由于斜扎脚造成的上部煤体易片帮难题，锚网过程中不再填空帮，提高了巷道围岩整体稳定性和断面利用率。

2)通过顶板窥视和钻屑分析，合理选择锚索长度。根据三带理论[21]，井下煤体开采后，引起上覆岩层破坏，从下而上分为垮落带、裂隙带和弯曲下沉带。其中，垮落带可分为下部不规则垮落带和上部规则垮落带，上部规则垮落带岩层虽然呈巨块垮落而失去连续性，但大体上还保持原有层次。根据顶板钻孔窥视和打钻过程中排渣情况分析，不规则垮落带最大发育高度为5m，5m往上钻孔孔壁趋于完整，裂隙较少，推测进入规则垮落带内。选择8m长的顶板锚索，可将锚索末端锚固在垮落带上部或裂隙带下部呈巨块状破断的砂质泥岩层内，从而确保着力点牢固。

3)改进锚索梁结构，使用工钢对梁。根据锚杆支护的组合梁理论和悬吊理论[5]，针对下分层煤巷胶结顶板强度低特点，通过使用抗弯刚度大的工钢对梁配合钢筋网，将胶结顶板挤紧并悬挂在深部较稳定岩层上。利用钢材的抗拉强度和延展性远大于岩石的力学特性，通过工钢对梁与深部坚硬岩层形成组合梁结构，减少胶结顶板受到的弯曲应变和应力，将最大弯曲应变和应力点转移给最下部的工钢对梁来承受，从而避免胶结顶板的整体性在上覆岩层荷载作用下遭到破坏。同时配合8m长的预应力锚索，通过对每根顶板锚索施加不小于200kN的预紧力，最大限度地增加层间摩擦阻力，避免出现层间离层，将锚固范围内的砂岩与砂质泥岩等薄层状顶板“装订”成一个整体组合梁，从而增加锚固范围内上部岩层的承载能力和抵抗变形的刚度，同时将荷载向巷道两帮深部转移，减轻对下部胶结顶板和两帮浅部煤体的压力。而下部胶结顶板的整体稳定，也最大限度地减少了上部破断岩层的回转空间，从而避免了因岩层移动或错动产生局部应力集中，间接导致围岩或支护体破坏。同时，两帮通过锚索加固，能控制破碎区、塑性区的发展，增加两帮对顶板的支撑作用，提高巷道稳定性。使用不开孔的工钢对梁，既可以增大支护体与顶板的接触面积，使顶板受力更均匀，同时也方便开孔位置调整，满足设计孔位不成孔情况下的补孔需要。

4)布置巷道走向钢丝绳，增强顶网整体性，防止因金属网搭接处强度低而出现炸网状况。

5)帮部锚索锚固段避开软分层煤。因为靠近巷道底板部位存在粉状煤，因此巷道两帮最下边两排锚索施工时，锚索打设角度要下扎10°，确保锚固在底板岩层中。

6)“小断面扩刷施工+超前锚索”施工工艺。在下分层煤巷掘进过程中，必须做到及时支护，否则将会造成：顶板下沉坠兜导致钻孔施工困难；顶板离层造成锚固剂输送困难；离层、裂隙和水源连通导致顶板淋水，锚索锚固力降低。因此，在实践中坚持“小断面扩刷施工+超前锚索”施工工艺，即沿煤层假顶小断面掏槽掘进，打设巷中3根顶板锚索并挂梁褙网拉紧后，再两边扩刷成巷，从而实现开掘过程中的及时支护。

7)加工锚固剂输送辅助装置。矿井采空区下煤巷顶板锚索施工实践经验表明：顶板往上3m范围内，围岩破碎，钻孔塌孔严重；3m以上范围内存在顶板离层和破断裂隙，钻孔孔壁弯曲不直。以上两种情况造成钻孔成孔后锚固剂输送困难。针对这些问题，实践中采取了以下措施：一是利用PVC管制作锚固剂投送通道，解决浅部塌孔段锚固剂输送难题；二是利用钻杆和细钢筋加工锚固剂辅助投送装置，实现锚固剂往深部的顺利输送。

4 工程应用

17042运输巷按照设计方案实施后，目前已施工成巷400m，设计的全锚网索支护形式有效地维护了巷道的稳定，取得了预期的效果。

1)提高了巷道支护强度，通过对各测点围岩变形及顶板离层仪观测数据分析，巷道变形量较小，未出现前掘后修情况。经过连续5个月的观测，测点顶板最大下沉量20mm，底板最大鼓起量90mm，两帮最大移近量115mm，顶板最大离层量20mm。为掌握胶结顶板条件下现场顶板锚索实际工作载荷，对测点处顶板锚索工作载荷进行了监测，截止目前测点顶板锚索工作载荷稳定在130kN，且未出现明显波动。

2)实现了大断面采空区下煤巷一次支护成巷，巷道有效断面由10.4m2提升至13.9m2，为后期工作面回采期间设备选型布置、辅助运输和通风系统的设计优化提供了更大空间。

3)支护成本降低。相同断面下，工钢棚支护单价6798元/m，锚网索支护单价3045元/m，每米减少投入3753元。

4)劳动组织优化。相较于工钢棚支护，每班减少后巷蹬棚、挖底落道等维护人员2-3人，且降低了工人劳动强度。

5 结 论

1)分析了以往采空区下煤巷变形破坏的原因，指出围岩受上分层工作面采动影响，煤体结构遭到破坏，再生胶结顶板强度低、稳定性差，被动支护不能及时有效支护顶板，造成顶板离层、淋水进而导致围岩强度弱化是造成巷道变形破坏的主要原因。

2)基于覆岩破坏规律和胶结再生顶板特征，结合锚杆支护的组合梁理论和悬吊理论，提出了有针对性的全锚网索主动支护方案，并进行现场应用实践。

3)顶板不规则垮落带最大发育高度为5m，“小断面扩刷+超前锚索”施工工艺，可有效控制综掘机截割期间顶板下沉。

4)采空区下全锚网索支护技术的应用，实现了矿井下分层煤巷支护形式由被动支护向主动支护的转变。提高了巷道支护强度，实现了大断面一次支护成巷，且支护效果良好，能有效控制巷道围岩变形，解决了以往前掘后修问题，可为类似条件下的回采巷道围岩控制提供参考。