近距离煤层低抽巷支护技术实践应用

孟 雷，刘凤明

(山西焦煤 西山煤电官地煤矿， 山西 太原 030022)

官地煤矿2021年度瓦斯等级测定，矿井绝对瓦斯涌出量为92.88 m3/min，相对瓦斯涌出量为12.73 m3/t，属高瓦斯矿井。矿井8#煤层和9#煤层属于近距离煤层，为了兼顾上下煤层瓦斯的抽放，在9#煤层布置巷道,抽放8#煤层、9#煤层内的瓦斯，同时兼作9#煤层回采巷道使用。南五采区首采18502工作面低抽巷布置在工作面副巷外侧20 m，在9#煤层掘进过程中，顶部锚杆(索)出现连续断裂现象，主要是受顶部岩层复合应力,导致锚杆(索)脆性剪切断裂，给生产带来安全隐患。若18502工作面开始回采，低抽巷将受工作面采动影响，顶部锚杆(索)出现集中断裂，导致大面积顶板支护失效而造成顶板局部垮落，巷道基本处于报废状态。从南五采区低抽巷支护状况来看，现有支护方式很难保证巷道的二次复用要求，为确保低抽巷在开采9#煤层二次使用，必须探索新的支护方式。

1 工作面概况

官地矿18502工作面地面位置位于风峪沟西南侧山坡，植被发育，盖山厚度326～431 m，平均379 m；井下位置位于南五采区北翼，工作面北侧约70 m为南翼输送机大巷，西北侧为风峪沟风井保安煤柱，西南侧为未采区，切眼上部为实体煤，巷道上部东北侧45 m为16502采空区，6#—8#煤层间距约25 m，8#—9#煤层间距平均2.28 m. 该工作面8#、9#煤层为复杂结构煤层，8#煤层含一层夹石，平均厚度为0.24 m，9#煤层含一层夹石，平均厚度为0.16 m. 煤层顶底板情况见表1.

表1 工作面煤层顶底板情况表

2 近距离煤层低抽巷原支护方案及存在的问题

2.1 原巷道支护方案

18502工作面低抽巷根据工程类比法选择合理的支护参数，然后采用计算法校核。具体支护形式如下：采用矩形断面，全锚支护，巷道净宽4.5 m，净高3.0 m，断面支护图见图1. 顶上排排铺矿用编织六角金属护网、上五眼位4.2 m长W型钢带、打锚杆(索)，钢带1#、3#、5#和2#、4#眼内交替布置d21.6 mm×9 200 mm钢绞线锚索(根据9#煤顶板和8#煤层厚度变化情况及时调整锚索长度，确保锚入8#煤顶板稳定岩层1.0 m以上)，其余钢带眼内均布置d22 mm×2 400 mm螺纹钢树脂锚杆，其中钢带1#、5#眼位为锚杆时打设成角锚杆，角度不低于75°，锚杆(索)间排距2.0 m×1.0 m. 两帮均挂矿用编织六角金属护网并上三眼2.14 m长钢筋钢带、打3排d22 mm×2 400 mm螺纹钢树脂锚杆，间排距1.0 m×0.9 m，第一排锚杆距顶400 mm，两帮每2.0 m各用一根d21.6 mm×4 200 mm钢绞线锚索替代中间眼位锚杆加强支护。

图1 原巷道断面支护图

2.2 原支护方案存在的问题

巷道掘进至230 m时，工作面30 m往外开始出现断锚杆(索)现象，根据顶部锚杆(索)断裂位置、部位和现场观察分析，断裂处附近顶板离层仪和巷道围岩有少许变形，托片个别有微变形，判断锚杆(索)局部受顶板轴向压力。9#煤层顶板为厚度平均1.5 m细粒砂岩、中间夹杂着0.3 m左右的煤，断锚杆(索)一侧杆体上有压痕，断口径缩不明显，断口较工整，断裂前未产生明显的塑形变形，判断锚杆(索)受顶板水平剪切应力较大；锚杆(索)打设操作方式不规范，带有一定角度，在预紧过程中，锚杆(索)托片对杆体也有一定的剪切力。在此复合应力及角度下导致了锚杆(索)的脆性剪切断裂。

采用上述支护方案不能有效控制顶板离层和巷道围岩变形，同时断裂锚杆(索)处需要及时补打锚索或加套工字钢棚，无形中增加巷道支护成本和职工劳动强度。

3 新型支护技术方案

3.1 支护参数设计原则

通过对锚杆(索)断裂原因分析，锚杆(索)主要受顶部岩石错动，受到强烈剪切而发生破断，提出以下设计原则：

1) 一次支护原则。锚杆、锚索支护应尽量一次支护就能有效控制围岩变形，避免二次或多次支护。

2) 高预应力原则。预紧力是锚索支护中的关键因素，只有高预紧力锚索才能发挥强力锚索的作用。设计通过采用大直径锚索提高锚索预紧力，增加顶板岩层界面的正应力和摩擦力，尽可能减小顶板岩层错动程度，提高锚固围岩的整体刚度与完整性。

3) “三高一低”原则。在提高锚索强度和刚度，保证支护系统可靠性的条件下，降低支护密度，减少单位面积上锚索数量，提高掘进速度。

4) 高抗剪原则。针对锚索抗剪能力弱，设计采用抗剪套管，缓冲顶部岩层对锚索剪切应力的影响，预防锚索破断。

3.2 新型支护技术方案的提出

根据支护参数设计原则，该矿首次引进SKP29-19/1770型高强度预应力钢绞线锚索d28.6 mm、抗拉强度为1 770 MPa的19根普通型矿用锚索，提出采用d28.6 mm粗钢绞线锚索代替d21.6 mm钢绞线锚索加固顶板，预紧力和锚固力达到380 kN，比原支护锚索预紧力提高近2倍。同时设计采用1.0 m长抗剪套管与锚索配合使用，套管采用内径32 mm、外径42 mm的钢管制作，用于缓冲岩层对锚索剪切应力的影响。

3.3 支护设计参数

顶板采用锚杆、锚索、网、W型钢带联合支护，顶上排排铺矿用编织六角金属护网，压眼距1 000 mm、全长 4.2 m 的 5 眼位W型钢带，钢带 1#、3#、5#和 2#、4#眼位交替布置d21.6 mm×9 200 mm 钢绞线锚索，其余眼位均布置d22 mm×2 400 mm 螺纹钢树脂锚杆，钢带1#、5#眼位为锚杆时，打设角锚杆，角度不小于75°，其中钢带3#和2#、4#眼位为锚索时用d28.6 mm×9 200 mm钢绞线锚索代替加强支护，粗锚索配套使用抗剪套管，顶锚索根据9#煤顶板和8#煤层厚度变化情况及时调整锚索长度，确保锚入8#煤顶板稳定岩层1.0 m以上；两帮支护不变。顶板支护图见图2.

图2 新支护方案顶板支护图

3.4 抗剪套管的安装使用步骤

1) 钻孔。采用d40 mm钻头钻孔，钻孔角度与岩面垂直，偏差应小于3°，钻孔深度比钢绞线总长浅150～250 mm.

2) 扩孔。采用d50 mm的专用扩孔钻头，将导向杆放入已钻好的小孔内连接钻机进行扩孔(小孔与大孔须同心)，扩孔深度1 000 mm.

3) 清孔及孔口处修正。清理孔内的岩粉、石渣和其它残留物，对扩孔后孔口处进行修正，保证锚孔与岩面处于90°.

4) 准备锚固剂。树脂锚固剂采用一卷MSCKb3060型树脂药卷和3卷MSK3080型树脂药卷，锚固长度不小于2 000 mm.

5) 安装钢绞线。将锚固剂送入小孔内，用钢绞线把锚固剂推入孔底，用锚杆钻机边推进边搅拌，搅拌15～20 s后停止搅拌，等待2～3 min后撤下钻机。

6) 安装抗剪套管。钢绞线锚固完成后，依次将抗剪套管、W型钢带套在外露的钢绞线上，推入孔內使W型钢带贴紧顶板；将托片、锚具穿入钢绞线至受压面处，再用锚索张拉机夹持钢绞线进行张拉，张拉力值达到380 kN应停止张拉，撤下张拉机，完成安装。

4 支护效果分析

巷道从550 m处开始采用新支护方案，并在原巷道锚杆(索)破断处补打抗剪套管锚索加固顶板。经过顶板离层监测和围岩变形观测，巷道内矿山压力无明显显现，巷道围岩变形量和顶板离层变形量都趋于稳定，顶板离层和围岩变形量曲线图见图3，图4.

图3 顶板离层变化量曲线图

图4 围岩变形量曲线图

巷道试验抗剪套管锚索3个月内未发现断裂，细锚索和锚杆仅出现几根断裂，且550 m往外巷道在补打抗剪套管锚索后，锚杆(索)断裂现象也明显减少，顶板离层量和围岩变形量趋于稳定，显然试验抗剪套管锚索支护效果明显。

5 结 语

官地煤矿18502工作面低抽巷采用d28.6 mm的钢绞线锚索并配套使用抗剪套管，能够有效控制巷道围岩变形和顶板离层，减少了锚杆、锚索断裂现象，提高了掘进速率和施工安全系数，降低了巷道的支护成本，保证了巷道的安全使用，为下一步开采南五采区9#煤积累了经验。