单县能源大倾角三软煤层抗冲支护体系

鲍辛成 刘守兵 亓佳利

（1.肥城矿业集团单县能源有限责任公司，山东 菏泽 274300；2.山东能源集团鲁西矿业有限公司，山东 菏泽 274300）

单县能源3 煤层具弱冲击危险性，埋藏深，地质构造发育，含煤地层倾角一般为15°～40°左右，属于典型的“大倾角三软煤层”。巷道存在变形严重、支护困难等问题，造成巷道返修频繁和支护失锚事故增加，影响巷道正常施工和安全。特别是顺槽巷道具有不同于真倾斜工作面的时序性和分区性，顺槽巷道呈“不规则矩形”布置。因此，单县能源巷道支护体系的设计需综合考虑动、静载两方面因素，不仅要考虑静载作用下的“支”和“护”，还应着重考虑动载、动静载叠加影响下支护体系的吸能、耗能和防护能力[1-3]，同时还应考虑目前形式下高强度煤层钻孔卸压等措施对支护体系的影响。锚索网带支护体系已经通过了支护理论和经验验证，具有较高的延伸率和冲击韧性。

1 抗冲支护体系概况

煤矿采煤过程中，高强支护技术的应用极其重要，可以有效保证在安全环境下的开采[4]。单县能源采煤工作面顺槽巷道形状为不规则矩形，顶板采用“高强锚杆＋让压环＋W 钢带＋锚索＋编织网”联合支护，帮部采用“高强锚杆＋W 钢带＋锚索＋T180 钢带＋编织网＋塑料网”联合支护。锚杆为Q600 号钢制作的高强预应力左旋无纵筋高强度金属杆体，屈服强度不小于600 MPa，杆体延伸率达15%以上；锚索采用Φ21.8 mm 的钢绞线（1×19）制作，直径21.8 mm，最大力总伸长率＞5%。顺槽超前支护采用单体支柱配铰接顶梁，沿巷道走向支设两路，一梁一柱，柱距1.2 m，超前支护范围不低于120 m。如图1～图3。

图1 煤巷工作面支护断面图（mm）

图2 巷道高帮支护展开图（mm）

图3 巷道低帮支护展开图（mm）

2 支护构件材质合理性分析

2.1 支护材料

巷道顶板采用Q600 钢制作的高强预应力左旋无纵筋锚杆（增加让压管）、W钢带和锚索联合支护，两帮采用Q500 全丝螺纹锚杆配合W 钢带、编织网（围岩破碎时采用“编织金属网+塑料网”支护）、锚索配合T180 钢带联合支护。

1） 高 强 锚 杆（ 增 加 让 压 环） 规 格：MSGLW-600/22×2800 mm 或Q500 钢制作的全丝锚杆，每根锚杆均用1 块MSK2380 树脂锚固剂固定，锚杆外露长度为10～50 mm；锚杆锚固力不小于210 kN，预紧力矩不小于400 N·m。锚杆托盘为正方形，规格为长×宽=200 mm×200 mm，用厚15 mm 钢板压制成弧形。

2）顶帮锚索规格：Ф21.8 mm×6300 mm（围岩较为破碎等条件下合理增加顶板锚索长度），每根锚索均用2 块MSK2380 树脂锚固剂固定。锚索初锚力不小于210 kN，锚固力不小于450 kN，外露长度150～250 mm。锚索托盘规格：长×宽×厚=300 mm×300 mm×16 mm；锁具为QVM22-1 单孔锁具。

3）顶帮部金属网采用Φ6.0 mm 的编织网（顶板破碎等条件下增设塑料网）。编织网规格为长×宽=2000 mm×1000 mm，网格为长×宽=100 mm×100 mm，相邻两块网之间采用勾连方式连接；塑料网规格为长×宽=2000 mm×1000 mm，网格为长×宽=60 mm×60 mm。

4）顶和帮均采用BHW280-4.0W 钢带，成型宽度280 mm，板材厚度4 mm。

5）T180 钢带规格：2000/2200 mm×180 mm。

2.2 巷道支护强度验算

基于悬吊理论[5]模型，对巷道顶板锚杆、帮部锚杆参数、锚固力、间排距进行验算。锚杆长度现场实际选取2.8 m，锚杆间距、排距验算现场实际选取0.8、0.9 m，锚杆杆体直径验算现场实际选取22 mm，高强锚杆锚固长度为1.41 m，锚索长度现场实际选取6.3 m，锚索数目现场实际选取3。单县能源的巷道支护基本参数符合国家标准、行业标准和安监局标准。对支护体系的有效性分析中，锚杆锚固力、托盘、金属网、锚索锚固力和树脂黏结力等有效性情况，结果表明：1）锚索长度理论上满足要求；2）运输顺槽和回风顺槽锚杆锚索静压支护合理，理论上能有效对围岩进行支护。

2.3 两巷超前单体支护强度验算

大倾角伪俯斜工作面顶板垮落、滑移、充填交错发生，对采空区下部充填具有不均匀性[6]，层状顶板在垮落过程中须考虑水平应力的影响，平衡拱拱高随侧压系数的增大而减小，顶板的安全厚度也会相应减小[7]。根据普氏理论[7]计算每米超前巷道顶板压力，超前巷道每米支护阻力为832 kN/m。

普氏理论计算公式：

式中：4/3 为计算系数；γ为顶板岩石容重；α为巷道跨度的1/2；f为顶板岩石坚固性系数。

当工作面基本顶来压或上覆岩层产生运动时，上覆岩层的动压将为顶板岩层质量的1.5～2.5 倍左右。考虑到单县能源开采深度和顶板条件，顶板来压时的动载系数取1.8，顶板来压动载影响时每米超前巷道顶板压力为374.4 kN/m。工作面选用DW型系列单体液压支柱，支柱的额定工作阻力250 kN，每米巷道单体液压支柱超前支护的工作阻力为531.25 kN/m。故本工作面两巷超前单体支护强度满足支护强度要求，安全系数为1.42。

2.4 煤巷抗冲击能力分析

对于塑性岩体，随着锚杆支护密度增加，冲击地压发生的临界阻力区、临界载荷与冲击释放能量逐渐增加，且这种现象随着冲击倾向性降低越发明显。提高锚杆支护密度能够增加冲击地压发生难度，同时也增加了冲击地压的破坏力[8]。

1）围岩系统能量计算

相关研究表明，无论岩体初始处于何种应力状态，一但失稳，其破坏真正需要消耗的能量总是其单向应力状态破坏所需的能量，该能量为岩体破坏最小能量，即煤岩体动力破坏的最小能量原理[2-3]。

动静载理论公式：

式中：Ec为巷道围岩破坏所需最小能量；σc为岩体的单向抗压强度；τc为岩体的单向抗剪强度；E为弹性模量；G为剪切模量。

假设最不利情况，邻空煤体附近应力达到煤体单轴抗压强度，单县能源煤体单轴抗压强度为18.09 MPa，围岩储存的弹性能为9.51 GPa，围岩储存的弹性能为21.188 kJ。故巷道周围煤岩体动载加静载的总储能为25.171～28.141 kJ。

2）围岩系统可承受能量计算

波兰学者用煤岩的冲击能量指数（KE）作为冲击倾向性指标，定义为煤岩体应力峰值前所积聚的弹性能与峰后所消耗的塑性能之比。KE=2.1，则3煤层巷道煤体塑性破坏消耗一定能量后，剩余可释放的能量为13.18～14.74 kJ。

能量传播衰减公式：

式中：Uf为震源的能量；L为冲击震源到巷道表面的距离；η为介质中震动波传播时的能量衰减指数。

η与传播介质的完整性、硬度、孔隙率等指标有关，这些指标趋于良性，衰减指数越小，反之则越大。据此可知，对于受高能量震源影响的巷道可以通过设置合理的弱结构来减小动载震源对巷道的影响。根据高明仕教授进行的相关实验，在水泥地介质中，能量的衰减指数为1.150 9；在细沙土介质中，能量衰减指数达2.130 9。在完整性和孔隙率上，煤岩的完整性介于水泥介质和细沙土介质之间，在硬度方面，顶煤的硬度同样介于水泥介质和细沙土介质之间，顶板（单轴抗压强度32.47 MPa）的硬度略高于水泥介质，故在煤岩中的衰减系数可大致取1.15 进行计算。因此，考虑传播距离后的能量为15.01～23.92 kJ。

按此方法对顺槽巷道及布置在煤层的准备巷道进行计算，评估结果见表1。

表1 巷道抗冲击能力评估结果

巷道的围岩变形在本质上是应力场的一种对应关系，根据矿井围岩的应力场拓扑结构及巷道的破坏情形，从而得出围岩主应力迹线与巷道失稳的规律。弱结构能够适当吸收围岩中集聚的能量，降低巷道冲击诱发能量，少量的弹性余能不足以对巷道造成破坏。锚网索带支护体系的“柔性吸能功能”有足够的抗冲击能力就能进一步保护巷道稳定。

3 支护强度验算结果

1）基于悬吊理论模型，对巷道顶板锚杆、帮部锚杆参数、锚固力、间排距进行验算。结果表明：工作面顺槽以及准备巷道锚杆锚索静压支护合理，理论上能有效对围岩进行支护，锚杆、锚索长度理论上满足要求。

2）单县能源大倾角三软煤层抗冲支护体系提高巷道围岩抵抗变形的能力较原支护方式顶板移近量及两帮移近量减少了50%以上，围岩支护效果明显。

3）从安全方面分析，单县能源大倾角三软煤层抗冲支护体系没有大面积巷道片帮、冒顶等带来的不安全因素，消除了因巷道变形等所产生的安全隐患，为类似采矿地质条件下的矿井提供了一种安全、经济、可靠和快速的支护方法。

4）单县能源大倾角三软煤层抗冲支护体系可使巷道处于应力降低区，巷道应力环境得到优化，煤柱帮变形较为稳定，实体煤帮具有一定的承载能力，变形过程也较为缓慢。不仅在掘巷期间围岩明显变形，在工作面回采期间，由于受采动影响，顶板与两帮的压力增大，使其更容易发生塑性破坏进入破碎状态，区段煤柱不易发生失稳破坏，以小煤炮或稳定型蠕变形式释放能量。

4 结论

通过分析支护构件材质合理性，验算巷道支护强度，分析煤巷抗冲击能力等方式，对矿井现有冲击地压巷道支护体系的支护强度、抗变形能力、护表能力及抗冲击能力进行了评估，具体结论如下：

1）巷道支护体系抗变形能力和护表能力分析结论

论证分析表明：目前矿井煤层巷道顶板采用Q600 钢制作的高强预应力左旋无纵筋锚杆（增加让压管）、W 钢带和锚索联合支护，上帮采用Q600号钢制作的高强预应力左旋无纵筋锚杆或Q500 全丝螺纹锚杆配合W 钢带、编织网（围岩破碎时采用“编织金属网+塑料网”支护）、锚索配合T180钢带联合支护，具有较高的支护强度、抗变形及护表能力，能够满足当前矿井支护与防冲要求。

2）煤巷支护体系抗冲击能力评估结论

基于现有理论评估得出：顺槽巷道的安全系数为3.20，准备巷道的安全系数为1.72，顺槽支护系统基本上能够抵御震源与巷道距离20 m 以上的5.2×105J 的单个能量事件或30 m 以上的1.9×106J的单个能量事件，均符合相关规定，并具有较高的安全系数，支护体系能够满足矿井抗冲击要求。

3）回采巷道超前支护强度评估结论

经计算工作面超前支护体系满足支护强度要求，安全系数为1.42。但由于单体液压支柱稳定性不足，建议后期更换为超前支架或单元支架。