高应力三软煤巷锚索-钢棚联合支护研究与实践

王丙振 赵淑红

（1.永城煤电控股集团有限公司，河南 永城 476600；2.永城职业学院，河南 永城 476600）

受“三软”煤层赋存条件制约及地质构造影响，嵩山煤矿煤巷支护一直以被动支护为主。嵩山煤矿开采煤层属典型的“三软”煤层，巷道缺少关键层承载压力，开掘后直接体现为地应力大，需频繁维修。

1 工程概况

1.1 生产地质条件

嵩山煤矿位于偃龙煤田嵩山井田中东部，嵩山背斜北翼，矿区主要构造为断裂和滑动构造。开采山西组二1 煤，倾角平均15°，煤厚平均4.2 m。工作面采用走向长壁采煤法，综采放顶煤工艺。矿区构造对二1 煤层影响较大，在生产过程中体现为原岩应力高、煤层组织疏松、强度极低，以面状为主，手捏即碎，普氏硬度系数小于0.3。顶底板岩体中含大量白云母碎片、岩屑及叶腊石类矿物等，碎裂性、膨胀性、弱胶结性、易失稳性等突显，属于典型的碎块式散体结构。人工开挖过程中，顶板随作业震动或风吹随时掉落，无自稳时间。据矿区83 个钻孔统计，二1 煤层顶板岩性以泥岩（2 m）及砂质泥岩（7 m）为主，细粒砂岩及粉砂岩次之，局部与砂质泥岩互层，伪顶泥岩发育，厚度1.5～2.5 m 之间；底板岩性以泥岩（1 m）和粉砂岩（5 m）为主。

1.2 原有巷道支护存在的问题

由于煤巷压力大，矿井原采用的U36 型钢棚（500 mm 棚距）+点柱支护形式，无法保证长距离煤巷断面保持，因此多年来采取了特殊的采掘布置形式：即每个回采工作面均布置2 条底板岩石集中巷，经石门分段短距离煤巷掘进（150～180 m），工作面分段回采。即便如此，短距离煤巷支架实际承载力一直呈现增长态势直至屈服破坏，仍不能有效控制巷道变形，必须及时维修。据统计，长度为150～180 m 的顺槽从掘进贯通到回采结束需翻修3～4 次，每米U 型钢支护巷道需投入3 万元以上。

2 三软煤巷断面及支护设计方案优化历程[1-5]

（1）2019 年4 月下旬，在2200 下顺槽4#段采用“U36 钢棚+锚索梁”进行支护试验。试验长度80 m，棚距500 mm，锚索按每棚4/6 间隔布置，采用Φ21.6 mm×5500 mm 锚索。巷道宽度收缩至2.6～3.1 m、巷高收缩至1.5～1.7 m 后巷道变形基本趋于稳定，回采期间以落底为主，基本满足使用需求。

（2）2019 年9 月，在2108 上顺槽东1#段采用“U36 型钢棚+中柱+锚索+大托盘+双层网复合支护”进行支护试验。试验长度85 m，棚距500 mm，锚索全断面布置8 根，肩窝以上采用Φ21.6 mm×7300 mm 锚索，两侧采用Φ21.6 mm×5500 mm 锚索，效果优于“U 型钢棚+锚索梁”支护。

（3）2019 年11 月，在2108 上顺槽东1#段通尺96～114 m 段（18 m）采用“单体柱+π 型梁+锚网索+高强T 型钢带”进行支护试验。巷道宽度收缩至2.6～2.8 m、巷高收缩为1.5～1.7 m 后巷道变形基本趋于稳定，帮部锚索破断较多，经分析为底鼓后受剪切力破断。对该段巷道进行沿空留巷试验，留巷平均宽度2.5 m，平均高度1.3 m，较理想。

（4）2020 年3 月，在2108 下顺槽东2#段及改造巷采用“U36 型钢棚+长短锚索+大托盘+双层网”进行支护试验。试验长度共计330 m，取消中柱，棚距600 mm，全断面锚索8 根/6 根间隔锚索，棚棚施工锚索。该段巷道宽度收缩至2.4～2.9 m、巷高收缩为1.6～2.1 m 后巷道变形基本趋于稳定。受工作面采动影响，巷道底鼓严重。

（5）2020 年6 月，在2108 上顺槽东2#段采用“架棚+锚索+注浆锚索”进行支护试验。试验长度150 m，普通锚索与注浆锚索按8/4 根交替布置。回采期间巷道变形严重，注浆段巷道失修，效果较差。

（6）2020 年4 月开始，在2200 下顺槽外段采用“半圆拱钢棚+双向拉伸护帮网、菱形网+铁背板+锚索”进行支护试验。试验长度460 m，棚距700 mm，锚索按10/8 根间隔布置，根据煤厚采用5.3～6.3 m 锚索。回采期间动压区巷道变形较严重，回采期间以落底为主，基本满足使用需求。

（7）2020 年5 月开始，在2200 上顺槽外段采用“三心拱+双向拉伸护帮网、菱形网+铁背板+锚索”进行支护试验。试验长度496 m，棚距为700 mm，锚索按8/7 根锚索交替布置，依据煤层厚度采用长度5.5～7.3 m 锚索。顶板塑性变形较严重，回采期间局部巷道发生返修，其余以落底为主，基本满足使用需求。

3 2112 上顺槽实施方案及效果

2112 顺槽巷道设计长度840 m，沿二1 煤层底板掘进，上帮破矸500 mm。该区域煤层倾角平均15°，平均煤厚3.78 m，普氏硬度系数小于0.3，直接顶为3.0 m 厚泥岩，基本顶为3.13 m 砂质泥岩和1.42 m 细砂岩，直接底为1.2 m 砂质泥岩。断面规格为：净宽（拱基线处）×净高=4800 mm×3500 mm，掘进高度为3750 mm，掘进宽度为5200 mm（起拱线位置），掘进断面面积16.8 m2，净断面面积14.5 m2，外扎角5°，内扎角85°，柱窝深200 mm。采用“半圆拱钢棚+双向拉伸护帮网、菱形网+铁背板+锚索”支护形式，具体如下（图1）：

图1 2112 上顺槽支护断面图（mm）

（1）钢棚支护。钢棚为4 节结构，采用U36型钢加工，棚腿与顶梁搭接长度为400 mm，顶梁之间搭接长度为400 mm，搭接处使用3 副卡缆（搭接端部使用限位卡缆）和1 副简易连板（顶板连板安装在北侧卡缆间）；采用塑料护帮网、Φ8 mm菱形网配合铁背板（宽50 mm、长900 mmU36 型钢加工）背设，塑料护帮网在内层，菱形网在外层。背板顶部间距300 mm，帮部400 mm。棚距为650 mm，卡缆螺栓扭矩300 N·m，柱窝深200 mm。顶部和两帮的背板应与巷道中线平行，背板两头要穿过钢梁。背帮、背顶材料要紧贴围岩，不得松动或空帮空顶。顶帮有空洞时，可用荆笆（800 mm×400 mm）或背木填实背严（不妨碍打设锚索）。

（2）全断面锚索支护。钢棚架设完成后，在后巷棚裆间打设锚索进行补强支护。锚索采用第一轮、第二轮隔棚交替施工的方式打设。锚索打设要求正顶端部卡缆处打设1 根，顶部两端卡缆左右500 mm处、两帮上卡缆向上350 mm 处、两帮下卡缆向下350 mm 处、两帮底板向上500 mm、1100 mm 处各打设1 根锚索。顶部、帮部锚索规格均采用Φ21.6 mm×7300 mm，每根锚索使用1 支MSK2350、2 支MSZ2350 型锚固剂，预紧力200 kN，锚索外露长度150～200 mm，锚索托盘采用废旧U 型钢加工而成，托盘规格：450 mm（长）×260 mm（宽）。综掘时锚索第一轮要求滞后迎头不超过10 棚，锚索第二轮要求滞后迎头不超过15 棚。

4 支护参数校核

（1）锚索钢绞线长度计算

钢绞线长度按照式（1）计算：L=La+Lb（1）

式中：L为钢绞线总长度，m；La为钢绞线的自由段长度，取2 m；Lb为钢绞线的锚固长度，m。

钢绞线锚固长度Lb按公式（2）、（3）确定，并取其中较大的值：

式中：Lb为锚固段长度，mm；Nd为钢绞线轴向拉力设计值，取200 kN；K为安全系数，取1.8；D为钻孔直径，取28 mm；d为单根钢绞线直径，取21.6 mm；n为钢绞线根数，取1；fmg为锚固体与岩石孔壁之间的粘结强度设计值，取1.5 MPa；f'ms为锚固体与钢绞线之间的粘结强度设计值，取1.5 MPa；ψ为锚固体长度对极限粘结强度的影响系数，取1.3。

经上式计算可得出Lb取2100 mm，则：

式中：d为钢绞线直径，mm；Nd为钢绞线轴向拉力设计值，取200 kN；fptk为钢绞线抗拉强度标准值，取1860 N/mm²；K为钢绞线界面设计安全系数，取1.8。则：d=2[（KNd/fptk）/π]1/2=15.8 mm。

综合考虑安全系数及理论计算值，锚索使用长度应该不小于计算值，锚索直径应该不小于计算值，才能保证巷道的工程质量和施工安全。施工时，采用Φ21.6 mm×7300 mm 的锚索满足使用要求。

2020 年9 月开始，在2112 上顺槽采用“半圆拱钢棚+双向拉伸护帮网、菱形网+铁背板+锚索”支护形式，施工总长度840 m，2021 年3 月一次掘进到位。根据矿压观测数据分析，巷道掘进两个月后，位移基本趋于稳定。

5结论

以偃龙煤田嵩山煤矿长期面临的构造区高应力三软煤层巷道支护难题为背景，提出回采巷道断面及支护形式、支护方案的优化设计方案，采用“半圆拱钢棚+双向拉伸护帮网、菱形网+铁背板+锚索”支护形式可以保证工作面的正常回采，降低巷道维护成本。