母杜柴登矿深埋巷道支护参数优化研究

赵国栋

（鄂尔多斯市伊化矿业资源有限责任公司，内蒙古 鄂尔多斯 017300）

0 引言

随着煤炭资源的不断开采，浅部煤炭资源日渐枯竭，煤矿开采开始转向深部，开采技术条件越来越复杂，对巷道围岩的支护要求也随之增加，尤其是复合顶板巷道围岩支护在煤矿开采中的比例不断增加，是国内外巷道支护的难点，对其支护技术的研究受到了很多专家的关注[1-3]。由于柴登矿30207通风巷埋深约640m，埋深较大，巷道顶板易冒顶，控制难度较大，因此该文采用数值模拟与现场试验相结合的方法来探究深埋巷道的支护技术，希望为类似工程地质条件下的巷道支护提供帮助，对提高深井高效生产具有重要意义。

1 工程概况

母杜柴登煤矿位于内蒙古东胜煤田呼吉尔特矿区南部，30207工作面通风巷掘进范围内北邻未开采煤体、南邻未开采煤体，西邻30208综采工作面采空区，东邻未开采煤体。该工作面地表为高原堆积型丘陵地貌特征，全部被第四系风积砂覆盖，植被稀疏，为沙漠～半沙漠地区。30207工作面通风巷所处层位为3-1煤层，3-1煤层位于延安组第二岩段（J1-2ya2）顶部，3-1煤组的顶部，全区赋存，总体为一走向NNE、倾向NWW的单斜形态，倾角约1°～6°。大部分地段煤层倾角较缓，约2°～3°，30207工作面通风巷为矩形巷道沿煤层顶板掘进，掘宽为5800mm，掘高为3900mm，S（掘）为22.62m2，净宽为5800mm，净高为3700mm，S（净）为21.46m2。

工作面范围内煤层埋深为620.0m～660.0m，整体由南向北逐渐变深，3-1煤煤层底板标高为+665.0m～+630.0m。煤层厚度特点为中部和南部较厚、北部较薄。根据区域范围内的7个钻孔统计，预计工作面掘进范围内采用煤厚4.51m～6.25m，平均5.75 m；煤层倾角1°～6°，大部分地段为1°～3°，平均2°，30207工作面通风巷煤层顶底板情况见表1。

表1 煤层顶底板情况一览表

2 巷道优化支护设计方案

2.1 巷道原支护方案

2.1.1 顶板支护参数

锚杆形式和规格如下：锚杆选用ø22mm×2400mm螺纹钢锚杆，锚杆支护间距为1000mm，排距为1000mm，杆体屈服强度不低于500MPa，杆尾螺纹为M24，螺纹长度不小于150mm，采用高强螺母M24×3.0。

每根锚杆配一支MSCK2335与一支MSCK2360树脂锚固剂。采用拱形高强托板配合调心球垫和尼龙垫圈使用，托板采用拱型高强度托板，托板规格为150mm×150mm×10mm，高度不低于32mm，承载能力不低于杆体的极限拉断力。最外侧锚杆安设角度为15°，其余锚杆安设角度与顶板呈90°。锚杆预紧力200N·m，锚杆锚固力为80kN。

锚索采用Φ21.8mm×6300mm，锚索材料为1x19股高强度低松弛钢绞线，锚索支护间排距为2000mm×1000mm，按“3-1-3”支护形式配套“W”钢带打设。

每根锚索配一支MSCK2335树脂锚固剂和两支MSCK2360树脂锚固剂。采用规格300mm×300mm×20mm的高强度拱形碟形托盘，配套锁具紧固锚索。“W”钢带采用5mm厚Q235钢冲压制造，规格为4500mm×280mm。锚索拉拔力不低于250kN。

采用ø6.3mm圆盘预弯成型金属丝编织网，规格5800mm×1100mm，网片压茬100mm，每隔200mm采用16#铁丝双丝双扣连接、网丝扭接不少于3圈。

2.1.2 巷道两帮支护参数

锚杆选用ø22mm×2400mm螺纹钢锚杆，杆体为22#无纵筋螺纹式树脂锚杆金属杆体，杆体屈服强度不低于500MPa。锚杆支护间排距1000mm×1000mm，一排4根锚杆，锚杆须打设在网片压茬处；杆尾螺纹为M24，螺纹长度不小于150mm，采用高强螺母M24×3.0。帮部第一排锚杆距顶板300mm，底角起锚高度600mm。

网片采用8#菱形金属网，规格4500mm×1200mm，帮网与顶网压茬200mm，每隔200mm采用16#铁丝双丝双扣连接、网丝扭接不少于3圈；帮部网片压茬100mm，帮锚杆须打设在网片压茬处。每根锚杆采用一支MSCK2335与一支MSCK2360树脂锚固剂。采用拱形高强托板配合调心球垫和尼龙垫圈使用，托板采用拱型高强度托板，托板规格为150mm×150mm×10mm，高度不低于32mm，承载能力不低于杆体的极限拉断力。靠近顶板的巷帮锚杆安设角度为与水平线呈+15°，靠近底板的巷帮锚杆安设角度为与水平线呈-15°。锚杆预紧力200N·m，锚杆锚固力为80kN。

2.2 巷道优化支护设计原理

锚索网联合支护技术可以增大巷道的开挖空间和锚杆的排距、间距，减少锚杆支护的数量，提高巷道的开挖进度，通过锚索的悬吊作用来保持锚岩支护体和围岩的稳定。锚杆和锚索可以各自发挥其自身的优势，改善单一锚杆围岩支护下的弊端。

金属网可以支撑非锚固区域的破碎岩碎块来防止发生塌落，在非锚定岩层之间传递荷载，使锚杆由单点支撑转化为多个锚杆形成的系统支护，可以降低局部支护强度巷道整体的不稳定性。金属网的柔韧性使其能更好地适应围岩的变形破坏，其刚度可以改善巷道围岩的应力条件，为围岩提供支撑反作用力。工程实践表明金属网在动压巷道中起至关重要的作用，特别是在稳定性较差的巷道使用锚杆支护中[4-7]。实践结果证明，锚网索联合支护技术对巷道的薄弱部位进行支护有很好的适用性。

2.3 巷道优化支护方案

巷道优化支护方案采用锚索网联合支护，优化支护技术方案如图2所示。顶板支护采用直径22mm、长度3000mm的左旋无纵筋螺纹钢筋锚杆，锚杆的排距设计为800mm、间距设计为800mm；锚索采用直径21.8mm、长度6300mm矿用高强度锚索进行支护，锚索的排距设计为1600mm、间距设计为1500mm，其他同原支护设计。

两帮采用直径22mm、长度3000mm的左旋无纵筋螺纹钢筋锚杆，锚杆的排距设计为800mm、间距设计为800mm；锚索采用直径21.8mm、长度6300mm矿用高强度锚索进行支护，锚索预紧力为220kN、排距设计为1600mm、间距设计为1500mm。在支护过程中可以根据围岩情况进行适当调整。

网片：巷道顶板和两帮采用金属网护表，金属网片为网格50mm×50mm的10#铅丝编织，规格3.3m×1.3m，与巷帮和顶板的金属网均采用搭接法进行连接， 搭接长度不小于100mm，然后用16#双股铁丝进行扭结，联网间隔不大于200mm，扭结不少于3圈，巷道两帮每隔100m各安装一片同规格的塑料网替换原金属网。

为了防止顶板围岩风化膨胀和破碎，巷道支护完成后对30207工作面通风巷的顶板采用C20混凝土及时进行喷浆作业，喷射混凝土的厚度范围为50mm～100mm。

3 数值模拟

分别对30207通风巷采用原支护技术方案和优化支护技术方案进行数值模拟，计算所得巷道围岩竖向位移分布云图如图1所示，巷道围岩塑性区分布云图如图2所示。

图1 巷道围岩竖向位移分布云图

图2 巷道围岩塑性区分布云图

由图3可以看出，原支护方案和优化支护技术方案顶板最大下沉量分别约为70.3mm和29.0mm，与原支护方案相比，优化支护技术方案下的顶底板总移近量下降了约59%，说明优化支护方案可以有效控制30207通风巷围岩，进一步说明了优化支护技术参数的科学合理性。

图3 巷道围岩变形曲线

在原支护技术方案下，巷道顶、底部破坏深度在垂直方向上分别约为2.1m和2.2m，巷道左、右两帮处破坏深度在水平方向上分别约为2.5m和2.2m；在优化支护技术方案下，巷道顶、底部破坏深度在垂直方向上分别约为0.7m和1.8m，巷道左、右两帮处破坏深度在水平方向上分别约为0.4m和0.4m，较原支护方案塑性区范围明显减少。

4 工业性试验

将优化支护方案应用于30207通风巷，在巷道掘进期间安设一组观测点来监测巷道顶底板及两帮的围岩变形情况。顶部测点布置在巷道中心线上，帮部测点布置在距巷道地面1m的位置处，顶帮测点布置在同一断面内，底板监测点采用铁钎，钉入底板围岩内的长度为250mm，围岩观测站按每周1次进行测读和记录，巷道变形曲线如图3所示。

由图3可以看出，巷道顶板最大下沉量约为35.7mm，巷道底板底鼓量最大约为31.5mm，巷道左、右帮围岩变形最大约为25.3mm和24.3mm，围岩变形量相对较小，变形量均满足矿井安全生产的要求。

5 结语

以母杜柴登矿30207通风巷道为工程背景对围岩控制及支护技术进行优化设计，得出以下2个结论：1）在原支护技术参数进行优化设计后，数值计算结果显示优化支护技术方案下的顶底板总移近量比原支护技术方案下降了约59%，说明优化支护技术参数的合理性。2）工业试验监测结果表明，在采用优化支护技术后，通风巷道顶和底板的最大变形量分别为35.7mm和31.5mm，巷道左、右帮围岩变形最大约为25.3mm和24.3mm，变形量均处于变形允许范围内，表明了该优化支护技术在深井巷道支护中的合理性。