大倾角高应力条件下沿空掘巷支护技术优化与应用

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摘要：随着矿井开采深度的增加，矿山压力也逐渐增大，特别是在沿空掘巷中支护成为煤矿生产中的一大难题。针对处于孤岛工作面内的己15-17—12020风、机巷在掘进过程中，受围岩构造应力、顶板倾角大、巷道支护困难等问题，对此分析了围岩变形的原因，有针对性的对原锚网索支护方案进行了技术参数优化，采用高预应力让压锚杆+高预应力让压锚索联合支护，以适应围岩变形的需要。现场应用结果表明该支护设计方案取得了良好的支护效果。

关键词：大倾角；沿空掘巷；参数优化；高预应力；桁架补强

Large angle under the conditions of high stress along goaf roadway supporting technology optimization and Application

Kong Shunqiang ，Sun Yonghui

（ Pingmei shares thirteen mine，Henan Xiang county 461700，China）

Abstract： with the increase of mining depth， mining pressure is gradually increasing， especially in roadway driving along goaf in coal mine production support has become a big problem in the. It aims at the isolated island working face in one 15-17 - 12020 wind tunnel， in the course of excavation by surrounding rock， tectonic stress， the roof of big obliquity， roadway support difficulty to wait for a problem， this analysis of surrounding rock deformation reason， targeted to the original anchor cable supporting scheme for the technical parameter optimization， using high pre-stressed yield bolt + high pre-stressed yield anchor combined support， in order to adapt to the needs of surrounding rock deformation. Field application results show that the supporting design scheme has good supporting effect.

Key words： large angle； roadway driving along goaf； parameter optimization； high prestress truss reinforcement

平煤股份十三矿位于河南省平顶山煤田东南部，设计生产能力1.8Mt/a，采用立井单水平上下山开拓方式，开采标高范围-175 m～-770m，主采山西组下部二1煤层，煤层走向115°～135°，倾向205～230°，煤层倾角平均26°。局部含夹矸，夹矸厚1.9m，多为泥岩，煤层结构简单，煤厚 4.2～7.2m，平均5.6m，二1煤层伪顶为泥岩，厚度一般为0.5～1.5m；直接顶多为泥岩、砂质泥岩互层，局部区域为粉砂岩，厚度0～18m，平均厚度4.69m；基本顶多为中、粗粒砂岩，局部区域为粗粒砂岩，厚度为0～36.69m，平均厚度8.9m。由于受围岩性质、大倾角等地质条件的影响，巷道支护困难，特别是沿空掘巷，巷道受围岩构造应力较大。针对沿空掘巷支护困难问题，充分利用围岩变形的规律，提出在己15-17—12020风、机巷采用高预应力让压锚杆+高预应力让压锚索配合槽钢相结合的支护方式，并在生产中取得了较好的支护效果。

1 工程概况

该己15-17—12020工作面位于矿井己二采区西翼第二区段，北临已经回采的己15-17—12010工作面机巷，南邻已经回采的己15-17—12041工作面风巷，西至西风井保护煤柱边界，东至己二采区上山保护煤柱边界。该工作面为典型的孤岛工作面，地应力集中，根据十三矿以往经验，对己15-17—12020采面掘进采用留小煤柱沿空掘巷，煤柱留设6m，巷道与相邻采空区老巷道中对中保持11m。风、机巷掘进沿煤层顶板布置，巷道所处围岩大部分为泥岩或砂质泥岩，巷道围岩节理，局部裂隙发育，较松软破碎。风、机巷在施工过程中，巷道围岩变形量大，严重影响施工进度及安全生产。

2 原支护设计存在的问题及分析

2012年元月份该巷道开始施工，工作面风、机巷设计为锚网梁索支护，断面宽×高=4600mm×3000mm，顶板采用普通Ф20×2400mm高强锚杆，两帮采用Ф20×2400mm等强锚杆，锚杆间排距700×700mm；顶板配合Ф17.8mm、长度8m的锚索，锚索间排距2400mm×2100mm，沿巷道中心五花型布置；钢筋梯子梁采用Ф16圆钢焊接。巷道全断面铺设Ф4.0mm，网格50×50mm的编织金属网，压茬不小于100mm，用12#铁丝连接，连接间距不大于200mm。

两个月后巷道施工300m，由于巷道处于上、下采空区之间，受上、下工作面回采动压影响，巷道地应力高，矿压显现比较明显，巷道变形严重；因煤层倾角大，特别是风巷高帮出现片帮现象；顶板下沉，锚杆及锚索有凹陷现象，个别地方出现锚杆盘严重变形。因此必须控制围岩变形，提高围岩的支护强度，对锚杆锚索支护技术参数进行优化，提高单根锚杆锚索支护的预应力、强度和刚度【3】。选择高预应力锚杆锚索进行联合主动支护，提高巷道支护质量和强度，有效控制围岩变形，增强巷道围岩的整体稳定性，达到较好的支护效果。

3 支护设计方案的确定

根据现有巷道支护变形情况，通过深入分析该采面的地质情况，优化了支护技术参数，提出风、机巷采用高预应力让压锚杆+高预应力锚索配槽钢联合主动支护。

（1）顶板支护

顶板锚杆采用Ф22mm×2400mm，杆体材料为Q500矿用高强高预应力让压锚杆，其杆体屈服强度220KN，抗拉强度270KN。这种锚杆采取的是利用让压管让压，为了增加围岩表面受力面积，该高强锚杆采用150mm×150mm×10mm球形托盘，托盘承载力大于270KN。

（2）顶板锚索支护

采用Ф20mm、长度8m的高预应力锚索，根据巷道围岩性质，重新对锚索支护密度进行了验算。

锚索支护密度的确定【1】：

N=KW/P1

式中N—单位面积锚索数目，根/m2；

P1—锚索的最低破断力，为290KN；

W—每米巷道的净压力，W=B∑h∑ρ；

B—巷道的掘进宽度，为4600mm；

∑h—悬吊的岩层厚度，为7m；

∑ρ—悬吊的岩层平均密度，为2.5t/m3；

K—锚固体设计最小安全系数一般取1.4；

经计算N=0.388根/m2

原巷道锚索支护间排距2100×1400mm，五花型布置，锚索支护密度为0.31根/m2，0.31根/m20.388根/m2，锚索矩形布置符合支护要求。

根据锚索支护密度计算得知，锚索采用矩形布置，每排两根锚索，并配合2400 mm 长12#槽钢托梁组合成一体，为了防止槽钢与锚索之间产生相互剪切作用，槽钢上的锚索孔眼设计为腰形孔【2】；为了进一步实现主动让压，在锚索金属板与槽钢之间加装一块让压木托板实现支护的主动让压。

（3）巷帮锚索桁架补强支护

巷帮在原来支护的基础上，因巷道顶板倾角较大，为加强巷道高帮的稳定，确保安全，在距巷帮底板2000mm位置，补打一排高预应力锚索，每两根锚索一组，配合长1800mm的12#槽钢，锚索间距1400mm，同样在锚索金属板与槽钢之间加装一块让压木托板实现主动让压支护。为防止锚索与采空区打穿，锚索采取仰角30°进行打设。

巷道断面支护示意图如图1所示：

4 施工技术说明

巷道在高预应力的作用下围岩产生压缩，可使松散围岩在锚杆、锚索的弹性压缩下形成“自承拱”，提高了围岩的整体性和内在抗力，增加其强度，其它力学性能也会得到改善，有效的控制围岩变形的发展，保持围岩的稳定。

高预应力锚杆锚索支护是一种传递支护应力至深部稳定岩层的主动支护方式。巷道顶板及帮部采取锚索托梁桁架支护，锚索桁架作为补强措施，能降低围岩的拉应力，阻止破碎围岩的垮落，进一步增强了围岩的承载能力。

锚索锁头采用加衬木垫板，锚索的延伸率以适应围岩进一步变形的需要，提高锚索抗变形、减缓巷道帮顶冲击载荷的作用【4】。

锚索支护与锚杆支护同步进行，在施工过程中锚索紧跟工作面，可及时有效地加强顶板控制，防止顶板下沉。优化后的锚网梁索支护技术在平煤股份十三矿己15-17—12020风、机巷得到了很好的应用。

5 矿压施工监测

在巷道施工每隔50m安设一个顶板离层仪挂牌设立一个观测站，对巷道顶、底板及两帮位移量进行监测与数据分析，经过三个月的观测，矿压观测结果表明：掘进期间成巷后60d水平变形量较大，最大为7mm/d，60d后变形速度趋于稳定，为 1～3 mm/d，总水平变形量为95mm。巷道成型30d后，巷道垂直变形量为50mm，60d后为70mm，此后一段时间巷道垂直变形量稳定在75mm之内。与同等条件下己15-17—12020风机巷外段已施工的300m巷道采用普通锚网梁索支护方法相比，巷道两帮围岩变形量减小150～250mm，顶板下沉量减小200～300mm。并且在采面回采期间，风机巷两巷均未出现锚杆锚索拉断现象，围岩变形得到了有效控制， 保证了安全生产，避免了巷道进行二次支护的投入。

巷道变形观测结果如图2所示：

6 支护效果分析

（1）锚网梁索支护利用锚杆及时支护，利用锚索将锚杆组合的悬臂梁悬吊固定在深部坚固顶板中，使其不发生弯曲、断裂、冒顶、从而改善巷道支护状态。

（2）通过优化支护技术参数，采用高预应力锚杆+高预应力锚索联合支护，提高了支护的稳定性，减少巷道维护工程量和支护材料消耗量，有力促进了矿井安全生产，为大倾角高应力巷道支护研究积累了宝贵的经验。

（3）锚索与槽钢梁、高预应力让压锚杆与梯子梁组合而成的整体结构提高了顶板、巷帮支护强度和刚度；在槽钢梁和锚索金属托盘之间加装木垫块实现锚索的主动让压支护。通过对支护技术参数进行优化，大倾角高应力沿空掘巷巷道在掘进及回采期间的围岩变形量不仅明显减少，而且巷道的支护状况也得到了明显的改善。

7 结语

（1）采用高预应力联合主动支护技术加固维护沿空巷道围岩小结构稳定，延缓围岩小结构的失稳破坏，从而控制围岩稳定。

（2）风、机巷在采用优化支护方案后始终处于良好的状态，锚杆锚索没有出现被拉断现象，工作面回采期间，巷道没有进行二次维修。采用这种支护保证了巷道围岩的完整性，满足了生产、安全的需要。

（3）工程应用效果表明，己15-17—12020风、机巷采用优化后的支护方案后，取得了较好的支护效果，进一步验证了支护参数优化方案的合理性。

（4）该技术为类似条件下沿空掘巷巷道支护提供了重要的参考依据。

参考文献：

【1】 何清海. 锚索加强支护的优化设计【J】.矿业安全与环保，2009（08）：130-131

【2】 杨张杰. 复合顶板锚网梁支护沿空掘巷围岩的变形特征及其控制技术【J】.煤炭工程，2009（09）：34-36

【3】 朱家学. 锚网索喷注联合支护在深部软岩巷道中的应用【J】.中州煤炭，2012（03）：7-9

【4】 张红武，刘祖辉，冯浩亮，等. 高应力巷道支护技术应用【J】.中州煤炭，2012（03）：43-45

作者简介：孔顺强（1961—），男，河南郏县人，工程师，现任平煤股份十三矿副总工程师，主要从事矿井技术管理工作。