对深井工作面厚层顶板两巷支护技术的研究

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前言

新建煤矿1311（1）工作面是东部第二采区首采面，位于DF162-1断层以南，F117断层以北，F83断层以西，西到设计的采区大巷，周围及上下煤层均未开采。该面煤层稳定，煤层局部变薄，煤层结构简单，局部下部一般含一层泥岩夹矸，厚0.4～0.8m；受地质构造及沉积环境影响，煤厚沉积缺失0～2.8m，平均煤厚2.2m。东段发育三处变薄带，煤厚沉积缺失0～2.4m，向西煤层稳定，煤厚1.2～2.8m。沿顺槽方向，煤层底板起伏不大，自西向东煤层底板逐渐上升，切眼倾角较大，局部8°～10°，煤层产状倾向90°～205°，倾角0°～10°，平均2°。工作面11-2直接顶为砂质泥岩，局部为细砂岩，泥质结构，垂向裂隙发育，滑面发育，较致密，富含植物化石碎片，11-2煤和11-3煤间距3.52～8.52m，平均5.96m；直接底以泥岩及11-1煤为主，灰色，其次为砂质泥岩，顶底板相变均较大。

1 巷道顶板维护特点

该煤层局部变薄，局部下部一般含一层泥岩夹矸，煤层赋存整体压力较大，帮部煤层自身强度较低，控制难度加大；巷道埋深大，新建煤矿属于典型的深部矿井，东部巷道围岩比较脆，地质条件复杂，支护问题日益突出，成为制约安全生产的一大难点；巷道走向距离较长，要求服务和维护时间较长，对支护强度及维护的长时稳定性有较高的要求；松软复合底板在近乎无约束状态将发生强烈破坏，但目前尚无简洁有效的底板控制技术，只能通过加强两帮及底角支护来减缓底鼓，不能从根本上有效控制底板岩层离层鼓起失稳。

2 深部巷道锚杆及工字钢支护机理认识

高强度锚杆索支护在浅部矿井巷道支护中效果好，但在深部矿井高地压巷道出现一系列问题：锚杆预应力过低，强度不足，抗冲击性能差，造成锚杆拉断或整体失效；锚索直径小、强度低、延伸率低，与钻孔匹配性差，出现锚索拉断或整体滑动；钢带强度和刚度小，容易撕裂和拉断，护顶效果差；锚杆、锚索强度和刚度偏低，单位面积锚杆数量多，间排距小，支护密度大，严重影响巷道掘进速度，造成采掘接替紧张。这些现象严重影响锚杆支护效果和安全程度。深部巷道支护问题，已经成为制约深部煤炭资源安全、高效开采的关键技术瓶颈，急需得到有效解决。

锚杆、锚索及工字钢对棚支护是锚杆、锚索、工字钢对棚联合支护，共同支撑煤巷顶板的一种混合支护技术，它的作用原理就是利用锚、网、索、工字钢支护强化和提高巷道顶板一定范围岩层的抗剪压能力，形成强化承压拱，抵抗巷道围岩变形，达到支撑维护巷道的目的。其具体作用就是通过对顶锚杆在一定预紧力作用下进行端锚，使端锚范围内的复合岩层在锚杆的弹性压缩下形成组合梁，同时利用工字钢对棚对组合梁进一步增强支护强度。

3 深部巷道应用锚杆支护的核心技术及支护参数

锚杆支护对围岩强度、围岩结构及应力都有不同程度的影响，经理论分析、数值模拟与井下试验得出，由于深部巷道围岩变形主要表现为围岩受水平力剪切作用所产生的形状（结构）变形和受轴向力作用所产生的体积膨胀所产生的扩容变形，且以扩容变形为主。因此提高锚杆支护系统的高度至关重要。提高支护刚度的途径主要有两方面，特别是锚杆预应力在支护系统中起关键作用：

锚杆施加较大预应力，并通过托板、钢带等构件实现预应力扩散；采用加长锚固或全长锚固，使杆体对围岩离层、错动非常敏感，能及时抑制离层与错动。

巷道锚杆支护技术的精髓就是高预紧力，从一开始就对围岩进行强有力的作用，消除围岩的初期松动和变形，调动围岩整体承载能力，而不是等待围岩产生松动变形后再去悬吊松垮的围岩。在锚杆支护初期就给锚杆施加一个较大的预拉力，从而对围岩产生反作用性能的高预紧力，不仅可以消除岩层内原始的裂缝空隙，也可以使各个岩层之间锁紧为一个整体，提高锚固范围内岩层的内摩擦角和内聚力，岩层的整体承载性能得到提高。围岩的扩容变形与锚杆的初始支护强度之间呈负相关性关系，锚杆的初始支护强度越小，围岩的松散变形越大；锚杆的初始支护强度越大，围岩的松散变形越小。而且变形量随初始支护强度的增大表现出不同速率的下降趋势。

1311（1）工作面两巷支护参数如下：

3.1 运顺巷道顶板采用7根IV级左旋锚杆专用螺纹钢超高强预拉力锚杆加4.8m长T1型(或M5型)钢带、8#菱形铁丝网联合支护。轨顺巷道顶板采用9根IV级左旋锚杆专用螺纹钢超高强预拉力锚杆加4.8m长T1型(或M5型)钢带、8#菱形铁丝网联合支护。锚杆规格为Ф22-M24-2800mm，每根锚杆配套Ф32钻孔、两节Z2350型中速树脂药卷加长锚固；锚杆间距750mm，排距800mm。锚杆预紧力不低于60～80KN，锚固力不低于120 KN。8#菱形铁丝网两网搭接不得小于100mm，用14#铁丝拧紧，连接位置相距不得大于150mm。

3.2 巷道两帮：采用5根左旋锚杆专用螺纹钢高强预拉力锚杆加2.8m长M4型钢带、8#菱形铁丝网联合支护，锚杆规格为Ф20-M22-2500mm。每根锚杆采用一节Z2380型中速树脂药卷加长锚固；帮部锚杆间距为650mm，排距为800mm。锚杆预紧力不低于60～80kN，锚固力不低于80KN。8#菱形铁丝网两网搭接不得小于100mm，用14#铁丝拧紧，连接位置相距不得大于150mm；运输顺槽：为进一步加强对顶板的控制，在顶部采用“2-2“布置方式布置锚索加固顶板。锚索规格：Φ17.8×6.3m，锚索间距1600mm，每孔3卷Z2380树脂药卷；在顶部采用“2-2“布置方式布置点锚索加固顶板。锚索规格：Φ17.8×6.3m，间排距2400×2000mm，每孔3卷Z2380树脂药卷。

3.3 轨道顺槽：为进一步加强对顶板的控制，①在顶部每排锚杆之间布置一套高预应力锚索梁，其眼孔位置布置在距离巷道中线900mm处，孔深6.0m，锚索与顶板垂直，钢绞线规格为Φ22×6.3m，2.4m长14#轻型槽钢上两眼间距1.8m。每孔采用四节Z2350中速树脂药卷加长锚固，以保证锚固效果；排距800mm，预紧力80~100kN，锚固力不低于200kN，锚索梁紧跟迎头施工。②在巷道顶板靠近两帮位置各布置一套走向高预应力锚索梁，距回采煤体帮部0.8m处布置锚索钻孔。

4 支护效果及矿压结果分析

1311（1）工作面运顺掘进之初，设计比邻DF162-1大断层掘进，由于地质勘探结果不够详细导致所留保护煤柱较小，工作面开采至附近时，顶板下沉近1.5m，再加上底板为泥岩比较松软，巷道底鼓，致使转载机及破碎机被压，挪移不出，工作面不能正常推进。使用工字钢对棚支护后，对巷道受力情况进行了观测，顶底板最大移近量为280mm，两帮最大移近量为200mm，顶板最大离层量为57mm。根据观测结果分析认为：采用锚杆索加工字钢对棚支护有效抑制了厚层顶板的离层下沉，巷道维护状况良好，满足了现场的应用，取得了良好的技术安全和社会经济效果。

参考文献

[1]陈庆缘．煤矿液压支架设计和使用[M]．赤峰：内蒙古科学技术出版社，1999．

[2]邢福康．煤炭支护手册[M]．北京：煤炭工业出版社，l993．

[3]徐永圻．中国采煤方法[M]．徐州：中国矿业大学出版社，1991．