煤矿软岩巷道支护技术优化应用研究

谷 鹏

（沁和能源集团有限公司永安煤矿，山西 晋城 048204）

1 永安煤矿11404 工作面工程概况

沁和能源集团有限公司永安煤矿位于山西省晋城市沁水县嘉峰镇，矿井面积为12.207 9 km2，设计生产能力60 万t/年，批准开采3 号煤层，斜井开拓，开采水平+540 m。11404 工作面主采3 号煤层，工作面朝向近似东西向，倾向北，倾角在2°～5°，煤层平均厚度4.35 m。5 号煤层普氏系数为0.83%，属于软煤。砂质泥岩、炭质泥岩虽为厚层状，V 级结构面罕见，易风解，属不稳定类围岩。由于地应力复杂多变，地质条件变化不断，因此优化支护参数，确保安全、有效的巷道安全支护技术至关重要[1-2]。

2 低强度支护阶段支护技术的优化

2.1 原支护技术分析

开采初期，永安煤矿巷道支护按照工程类比法参照相邻矿井的支护参数进行巷道支护设计。永安煤矿11404 工作面顺槽巷道支护采用锚网、索、喷支护形式，顶板锚杆采用Φ20 mm×2 000 mm BHRB335 左旋螺纹钢锚杆；巷帮锚杆采用Φ35 mm×1 600 mm 的竹锚杆；锚杆间排距均为800 mm、800 mm，钢筋梯采用Φ14 mm 的圆钢双排焊接；顶板均挂设Φ65 mm 圆钢焊接的钢筋网，顶板沿巷道中心线左右均匀布置排两根间距为2 000 mm、排距为2 400 mm 单点锚索，锚索采用Φ15.5 mm×7 000 mm预应力钢绞线，托梁用14 号槽钢加工，长400 mm，锚索外端使用锁具锁固。喷射混凝土厚度为50 mm，强度为C20。

2.2 原支护方式存在的问题

施工过程中发现Φ35 mm×1 600 mm 竹锚杆不能有效控制巷帮，巷道易片帮。14 号槽钢锚索托梁强度低，顶板下沉时将索托梁两头向下压弯折回、脱落，造成锚索失效。由于初期巷道帮锚杆对巷道帮部、锚索对顶板控制效果不好，施工过程中由于局部锚索导通5 号煤顶板含水层，造成锚索出水。为了避免巷道顶板出水，多次将锚索长度由7 m 变为5 m，使锚索锚固不到坚硬岩层，影响锚索支护强度。

由于以上原因使顺槽巷道在掘进施工过程中频繁发生片帮、冒顶事故，11404 工作面三条顺槽巷道共发生7 次冒顶事故。其中在2020 年6 月15 日，11404 工作面皮带运输巷1 320～1 334 m 段发生大面积的冒顶，冒顶范围宽度约4.8 m，高度4～7 m，长度约14 m。同时，掘进过程中期及后期巷道维护工程量巨大，11404 工作面三条顺槽巷道共架设2 400 多架工字钢棚。

2.3 支护参数的优化改进

针对掘进工程中巷道出现的片帮、冒顶事故，帮部锚杆竹锚杆对巷道帮部控制效果差，14 号槽钢锚索托梁强度不够等问题，同时对2020 年6 月15 日11404 工作面皮带运输巷大面积的冒顶事故原因进行了认真分析总结。主要原因如下：

1）5 号煤煤层平均厚度7.88 m，巷道开挖后顶板煤层剩余4.6 m，泥岩厚2～3 m，施工过程中由于锚索有导水现象，为了避免巷道顶板出水，将锚索由7 m变为5 m，造成锚索锚固不到顶板坚硬岩层或镭固到坚硬岩层深度小于1 m，起不到悬吊作用。

2）巷道顶板有淋水，造成顶板炭质泥岩泥化、脱落。

针对以上原因，该矿研究决定将11404 工作面顺槽巷道锚、网、索支护形式变更为锚、网、绗架支护形式，将顶板锚杆加长500 mm，顶板锚杆采用Φ20 mm×2 500 mmBHRB335 左旋螺纹钢锚杆；巷帮采用Φ16 mm×1 600 mm 的圆钢锚杆；锚杆间排距为800 mm、800 mm。钢筋梯采用Φ16 mm 的圆钢双排焊接；顶板均挂设Φ6.5 mm 圆钢焊接的钢筋网，巷道帮部挂8 号铅丝编制的菱形金属网；顶板沿巷道中心线左右均匀布置一排两根间距为2 000 mm、排距为2 400 mm 锚索绗架，锚索采用Φ17.8 mm×8 000 mm 预应力钢绞线，托梁用11 号矿用工字钢加工，长2 500 mm，锚索外端使用锁具锁固。

随着开采深度增加，Φ16 mm×1 600 mm 的圆钢锚杆已经不能满足巷道帮部支护要求。2020 年10月，将巷道帮部锚杆更换为Φ20 mm×2 000 mm BHRB335 左旋螺纹钢锚杆加强巷道帮部支护。并通过实验确定了Φ20 mm×2 500 mmBHRB335 左旋螺纹钢锚杆安装预紧力不小于300 N/m，Φ20 mm×2 000 mmBHRB335 左旋螺纹钢锚杆安装预紧力不小于200 N/m。

2.4 支护方式改进后取得的效果

在11404 工作面巷道低强度支护阶段，对原支护方式及参数进行优化改进后，在一定程度上对巷道帮部起到了支护效果，优化改进后巷道在掘进施工过程中几乎没有发生过片帮、冒顶事故，有效保障了巷道开采安全。

3 高强度锚杆支护阶段的支护技术优化

巷道在低强度支护阶段，支护方式优化改进后在一定程度上杜绝了片帮、冒顶事故的发生。但是巷道受二次动压影响巷道顶板下沉、底板鼓起、两帮收敛现象依然严重。比如11404 工作面辅助运输巷锚索托梁两头向下压弯折回、脱落，造成锚索失效，并受11404、81505 综放工作面两次采动影响巷道顶板下沉、底板鼓起、两帮收敛，失修率高。为了确保巷道安全使用，2020 年10 月—2021 年2 月先后采用架设工字钢棚、一梁三柱、木垛、起底等方式进行了三次全面维修，投入较大，但效果均不甚理想。为了解决受二次动压影响下的巷道支护难题，通过地应力测试、钻孔窥视等方式进一步优化巷道支护参数，提高复杂困难煤巷支护质量。

3.1 支护技术优化方案

为了更加合理地确定11404 工作面巷道支护参数，利用地质力学测试数据及钻孔窥视情况，对支护参数采取了悬吊理论进行了计算校核[3]。

11404 工作面顺槽巷道采用锚、网、索高强支护形式，顶板锚杆采用22#-M24-2500BHR500 高强左旋无纵肋螺纹钢锚杆，间排距850 mm、900 mm；巷帮采用20#-M22-2000BH1500 高强左旋无纵肋螺纹钢锚杆，间排距800 mm、900 mm；钢带采用W280×5 型W 钢带；顶板挂设Φ6.5 mm 圆钢焊接的钢筋网，巷帮挂设8 号铅丝编制的菱形金属网：顶板均匀布置间排距为1 800 mm、1 800 mm 单点锚索，锚索采用Φ21.98 mm、8 300 mm 预应力钢绞线，锚索托板为300 mm×300 mm×16 mm 高强锰钢托板。

3.2 改进支护参数后的支护效果

使用了高强支护参数后，巷道成型明显改观，巷道没有发生过片帮、冒顶事故，道顶板下沉两帮收敛都在可控范围内。但在使用过程中发现300 mm×300 mm×16 mm 高强锰钢锚索托板对巷道顶帮控制效果不住，易出现锚索之间掉包现象，单点锚索对巷道顶板整体控制效果差。为此，将单点锚索变更为锚索架，架梁采用11 号矿用工字钢加工。单点锚索变更为锚索架后，巷道支护质量明显提高。

4 结语

高地应力软岩地质构造对煤矿巷道支护技术要求很高，随着开采深度不断增加，软岩巷道受动压影响矿压显现十分剧烈，因此会造成工作面巷道支护困难。以永安煤矿11404 工作面为案例进行了软岩巷道支护技术优化应用研究，实践应用效果理想，形成了一套安全、高效、节约的支护参数，为矿井安全生产保驾护航。