高应力扰动回采巷道支护方案设计分析

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摘要：针对新元煤矿东四正巷掘近期间面临高地应力反复扰动、泥岩顶板条件差、巷道断面大等支护难点，提出锚索桁架支护技术，形成“支护—围岩”整体承载结构，并进行现场工业性试验及矿压观测，将巷道围岩位移量、顶板离层值控制在安全范围，巷道围岩控制效果良好。

关键词：扰动；巷道；锚索；桁架

煤矿回采巷道为工作面直接服务，在承受矿山压力显现作用的最前沿，承受强烈、反复的应力扰动，尤其是对于顶板条件差、巷道断面大、服务期限长、应力叠加复杂的回采巷道，选择合理有效的支护方案，对于保障矿井安全生产至关重要。新元煤矿历来重视巷道的快速掘进和有效支护，在煤层巷道矿压控制与锚杆支护技术方面得到了较快发展，基于该矿特殊的地质生产条件，取得了很多支护成功的案例[1-3]。本文即对新元矿3#煤层东四正巷的支护难点及支护方案进行研究，总结巷道支护的成功经验，从而推动煤矿支护技术的不断向前发展。

1工程概况及支护难点分析

新元矿位于寿阳中南部，3#煤层是该矿主采煤层，煤层平均厚度2.60m，以亮煤为主，内生裂隙发育。煤层伪顶为高岭石泥岩，厚度0.3m；直接顶为砂质泥岩，平均厚度1.53m；基本顶为软弱砂岩与泥岩互层，平均厚度2.38m；底板为灰黑色砂质泥岩，平均厚度1.96m。东四正巷为103工作面与104工作面的共用巷道，即为二次复用巷道，在103工作面回采时作为进风及辅助运输巷道，在104工作面回采时作为进风及胶带运输巷道。东四正巷的支护难点分析如下：（1）巷道服务期限长。巷道长度近1800m，为两个工作面所共用，承受工作面采动超前支承压力和采后支承压力的反复影响，需经历顺槽掘进期、设备安装期、采面衔接期、采动剧烈影响期、二次采动影响期，巷道变形时间长。（2）煤层及顶板条件差。3#煤层煤质较软，节理裂隙发育，易产生离层破坏和垮落，且厚层泥岩顶板自稳能力差，无稳定的岩层供悬吊之用，不易形成自稳结构，顶板局部有淋水，导致岩层膨胀变形，且影响锚固剂发挥锚固效果。（3）巷道断面大、顶板跨度大。巷道因跨度较大，顶板中部拉应力集中，离层破坏范围大，易导致冒顶，煤帮出现向巷道内整体位移、垮帮，巷道支护系统严重损毁或失效。

2支护方案设计

2.1新型锚索桁架控制系统支护原理

因巷道支护的特殊性及实际困难，为进行有效支护，与高校进行科研合作，引入锚索桁架控制系统这一新型支护技术。该技术的核心部件是专用桁架连接器，克服单体锚索的支护缺陷，对锚索进行组合及预紧力施加，进行巷道围岩的深部支护，浅部支护依靠预应力锚杆，形成整体的支护结构。该技术尤其适用于采动剧烈影响巷道、软弱顶板煤巷、大断面巷道、悬顶面积大的交叉点等复杂条件下的巷道围岩控制。技术原理如图1所示[4]。这一新型支护技术的应用能对巷道顶板同时施加水平应力和铅垂应力，对支护范围内的围岩施加挤压力，抵消巷道的下沉位移，能发挥高效的主动支护作用，尤其是巷道离层前的主动支护，对于抑制巷道变形非常关键，且与巷道围岩协同作用，形成统一的承载结构。

2.2支护方案设计及参数分析

基于新型锚索桁架控制系统，针对东四正巷的具体地质及生产条件，综合考虑支护难点和支护薄弱环节，设计并优化后的支护方案如图2所示。（1）顶板锚杆支护。选用高强螺纹钢锚杆，规格Φ20mm×2400mm，单根锚杆锚固长度800mm，使用一支Φ23mm×800mm中速锚固剂进行端锚，锚固力不低于100kN；锚杆间排距800mm×800mm，其中最外侧两根锚杆间距500mm，且斜向外10°打设，其余锚杆垂直顶板打设；配合锚杆托盘、钢筋梯子梁及金属菱网打设。（2）顶板锚索支护。锚索支护为单体锚索、桁架锚索交替配合使用。单体锚索：选用预应力钢绞线锚索，规格为Φ17.8mm×9300mm，使用一支Φ23mm×1200mm双速锚固剂进行端锚，锚固力控制不低于160kN；单体锚索每排两根，间排距为1600mm×800mm；配合W形钢带打设。桁架锚索：预应力钢绞线锚索，规格Φ15.24mm×8500mm，使用一支Φ23mm×1200mm中速锚固剂进行端锚；桁架锚索每排两根，间排距2100mm×1600mm；桁架锚索斜向外侧打设，与铅垂方向夹角20°，每排两根锚索伸出钻孔并使用配套的锁具及桁架锚索连接器连接好，张拉预紧后锚固力控制不低于140kN。（3）巷帮支护。选用高强螺纹钢锚杆，规格Φ20mm×2400mm，单根锚杆锚固长度800mm，使用一支Φ23mm×800mm中速锚固剂进行端锚，锚固力不低于70kN；锚杆间排距1000mm×800mm，其中最上部锚杆斜向上10°打设，其余锚杆垂直巷帮打设；配合锚杆托盘及金属菱网打设。（4）非常规时期支护方式[5]。巷道掘进过程中遇过断层、顶板漏冒、压力异常等情况时，及时编制专项安全技术措施，采用注浆、架棚、喷浆等加强支护措施。

3应用效果分析

巷道支护试验段长度为200m，对掘进支护后一个时期内的巷道围岩变形进行观测，测站布置如图3所示。在近150d的观测期，发现如下围岩变形规律（各测站观测平均值）：巷道掘进后20d内为围岩变形快速发展期，约30d后逐渐稳定，顶板总下沉量近90mm，两帮移近量控制在120mm以内，顶板离层控制效果较好；50~120d期间，受103工作面回采影响，围岩受二次扰动，围岩变形又经历一个快速发展期，顶板总下沉量达到300mm，两帮移近量达到410mm，顶板离层值最大发展至15mm，总体可控，后趋于稳定。东四正巷及其他两条回采巷道中采用的新型锚索桁架支护方案，取得了显著的综合经济效益，累计节约材料费、人工费、维修费等1200余万元，提高了掘进速度，减少了巷道维护工作量，有效缓解了采掘接替紧张的局面。更重要的是可以降低安全隐患，提高安全系数，在施工中没有出现原来普通锚杆锚索支护时的冒顶事故，顶板没有发生大的离层，巷道围岩稳定，安全生产得到保障。

4结语

巷道支护方案设计及围岩有效支护是保障煤矿采掘作业及安全生产的关键，锚索桁架控制系统为新元矿回采巷道提供了新型支护技术。基于该系统及东四正巷的具体地质生产条件，设计一套新型锚索桁架支护方案。该方案能在水平和铅垂方向提供有效支护力，且斜穿过煤帮上方附近顶板最大剪应力区，与巷道围岩形成统一的承载结构，能发挥高效的主动支护作用。经过200m巷道试验段的支护及矿压观测验证，巷道围岩控制效果良好，技术经济效益显著，有效保障了矿井安全生产。

【参考文献】

［1］刘德军，左建平，刘海雁，等.我国煤矿巷道支护理论及技术的现状与发展趋势[J].矿业科学学报，2020，5（01）：22-33.

［2］尹海涛.新元矿3210工作面沿空留巷围岩变形特征及控制技术研究[J].煤炭与化工，2020，43（02）：17-20+24.

［3］谢宁.新元矿3107工作面沿空留巷技术应用研究[J].当代化工研究，2019（08）：133-134.

［4］郭金刚，王伟光，何富连，等.大断面综放沿空巷道基本顶破断结构与围岩稳定性分析[J].采矿与安全工程学报，2019，36（03）：446-454+464.

［5］王明明.新元矿9104工作面过陷落柱注浆加固技术应用研究[J].山东煤炭科技，2019（07）：153-155+165.

作者：刘闯荣 单位：山西新元煤炭有限责任公司