特厚煤层对采对掘巷道锚网强力支护技术研究

郝登云，陈海俊，王龙²

(1.天地科技股份有限公司开采设计事业部，北京100013；2.山西世德孙家沟煤矿有限公司，山西 036600)

摘要：针对特厚煤层对采对掘回采巷道支护难题，以阳煤集团孙家沟煤矿13313回风巷的为工程背景，分析了特厚煤层对采对掘巷道的受力特征及变形规律。结合地质力学评估，通过工程类比、数值模拟等方法，提出了该巷道的锚杆支护方案并进行工业性试验，矿压监测结果表明，该支护方案有效地控制了巷道的整体变形，避免了二次修巷，降低了巷道支护成本及工人劳动强度，为该矿井及类似条件下巷道支护提供了参考。

关键词：特厚煤层；对采对掘；强力支护；矿压监测

 对于采用单翼布置或开采强度较大以及地质条件复杂的矿井，采掘接替紧张问题比较突出，为了保证正常的采掘衔接，在毗邻工作面回采的同时，不得不沿上一区段工作面边缘掘进下一区段工作面的回采巷道，出现工作面与巷道对采对掘的情况^[1]~[3]。此类巷道是在未稳定采空区边缘和采动应力影响下掘进，将承受掘进和采动应力等多重应力的影响，巷道维护比较困难^[4]~[7]，尤其是特厚煤层放顶煤工作面沿底掘进的回采巷道。如图1所示，孙家沟煤矿因采掘衔接紧张，在13309工作面回采期间，为准备出13311工作面的回采系统，其回风巷就是迎采动掘进，当13311回风巷与13309工作面相距200m左右时，巷道开始变形，甚至出现了小范围的冒顶现象，直到13309工作面推过150m左右才逐渐趋于稳定。13309工作面回采结束后，13311巷变形严重，部分巷道顶底板和两帮移近量达到了2m左右，不得不多次起底返修，严重影响了矿井正常的安全生产。13311工作面回采期间，又要准备13313工作面的回采系统，13313回风巷也不得不迎采动掘进，为了避免出现类似13311回风巷的变形现象，对13313回风巷合理支护方式和参数开展研究就显得十分必要和及时。

1 工程背景

孙家沟矿井已实现机械化开采(一矿一井一面)，采煤方法为走向长壁综采放顶煤采煤法，全部垮落法管理顶板。13313工作面北部50m为原同保煤矿准备巷，南部为13#煤北回风巷，西部为尚未开采的13315工作面，东部为正在回采的13311工作面，工作面走向长1600m，倾斜长150m，开采13号煤层，煤层平均厚度为13m左右，煤层倾角为6°左右，平均埋深约250m。煤层直接顶为黑色泥岩，平均厚度1.93m，含砂质泥岩薄层；老顶为灰黑色砂质泥岩，总厚度平均约8.02m，夹砂岩条带，具滑面；直接底为黑色砂质泥岩，平均厚度2.1m；老底为灰色石灰岩，平均厚度2.6m。工作回风巷为矩形断面，宽4.8m，高3.6m，断面面积17.28m²，沿煤层底板掘进。

2 对采对掘巷道围岩变形特征

13313回风巷掘进过程中，将经历不同的巷道围岩应力环境，根据巷道在时间和空间上围岩变形特征，可将其分为AB、BC和CD三段进行分析（如图1所示）。

1) AB段

该段巷道掘进时是在实体煤中进行，且由于与13311回采面相距较远，其围岩未受到开采扰动的影响，此时巷道整体呈现缓慢变形，维护难度较小；当13311工作面推过来后，该段巷道就成为有煤柱留巷段，要经受13311工作面回采动压影响。

2) BC段

该段为动压影响段，以回采面和掘进面交会处为界，可分为超前和滞后动压影响段。

(1）超前动压影响段。在13313回风巷与13311工作面不断靠近的过程中，巷道受掘进动压和工作面回采超前压力的影响，围岩应力及巷道变形不断增加，且随着掘进面与回采面距离的接近有逐渐增大的趋势。13311回风巷矿压观测表明，当掘进工作面距回采面200m左右时，超前压力就有了显现。

(2)滞后动压影响段。随着掘进工作面与回采工作面的水平相会，上覆岩层结构剧烈调整，工作面推过后直接顶发生不规则垮落，基本顶依次出现弯曲下沉、回转、破断，直至触矸压实后趋于稳定，这一动压作用过程从根本上决定了对采对掘巷道的应力环境。由于区段煤柱宽度相对较大，巷道围岩因上覆岩层结构回转下沉所遭受的变形压力相对较小，顶板的适应性下沉量并不大。因此，该阶段需要着重采取加强控顶措施，防止巷道顶板冒落。

3) CD段

沿煤柱掘巷阶段。由于上区段工作面回采引起的侧向支承应力趋于稳定，巷道的掘进位置又处于支承应力相对较小的区域，巷道掘进并不会影响到稳定后的上覆岩层结构。因此，该阶段巷道支护作用主要在于抑制浅部围岩变形，改善巷道围岩的应力状态。

3 现场测试

3.1地应力测试

采用水力压裂的方法对该巷道周围进行了地应力测试，水力压裂曲线和定向结果下图所示。

（a）水力压裂曲线                       （b）定向结果

图2  顶板水力压裂曲线和定向结果

所测区域最大水平主应力16.65MPa，最小水平主应力9.15MPa，垂直应力5.58MPa，测试区域地应力场在量值上属于中等应力值区域，应力场类型为σ_H＞σ_h＞σ_v型应力场，最大水平主应力定向北偏西33.6°。而13313回风巷为南北向，因此最大水平主应力方向与巷道轴线呈锐角关系，有利于巷道的维护。由于巷道围岩最大水平主应力大于垂直主应力，在支护设计时要注重控制巷道顶板围岩的稳定性。

3.2 煤岩体强度测试

对13313回风巷顶板进行了煤岩体强度测试以及围岩结构观察，13^#煤强度主要集中在18~23Mpa，直接顶泥岩岩层强度主要集中48~52Mpa，老顶砂质泥岩岩层强度主要集中在55~60Mpa，顶板完整性较好，局部存在少量的裂隙。综合评价13^#煤体中硬，有利于巷道维护。

3.3顶煤及煤帮可锚性测试

1）帮锚杆拉拔力试验

巷道围岩锚杆拉拔力试验的目的是判定巷道围岩的可锚性、评价锚杆、树脂、围岩锚固系统的性能和锚杆的锚固力，是锚杆支护的常规测试项目，用于判断围岩的可锚性。锚杆固力拉拔试验应在巷道施工现场进行，每次不少于3根锚杆。在13313回风巷巷帮进行了锚杆锚固力拉拔力测试，锚杆材质为HRB500高强度左旋无纵筋螺纹钢锚杆，直径20mm，共试验了三根锚杆，其中两根使用了MSCKb2360树脂锚固剂，另一根使用了MSCKb2380树脂锚固剂，拉拔力分别达到了159kN、161 kN和165kN后，仍保持完好。按照单根锚杆的拉拔力不得低于设计值的90%计算，帮锚杆锚固力设计值最少可以达到177kN。

2）顶煤锚索和巷帮锚索预应力试验

锚索锚固性能试验采用不同直径、不同长度、不同型号锚固剂进行了多次试验，详细试验结果见表1所示。 

表1 锚索预应力试验结果统计表

由表可以看出，长度为5.2m和8.2m的顶煤锚索，其初张拉值能达到313kN~350kN，为锚索破断载荷的51~56%。4.2m的帮锚索初张拉值可达到200kN左右，为帮锚索破断载荷的56%。

3.4帮锚杆预紧力测试

预紧力是锚杆支护的关键参数之一，选择合理的预应力并使其有效扩散是提高锚杆支护效果的重要途径。目前，锚杆预应力通常都是通过给锚杆螺母施加一定的预紧扭矩来实现的。锚杆预紧力与螺母安装扭矩、螺丝规格及摩擦系数相关。为了掌握井下现场锚杆预紧力情况，在13313回风巷进行了锚杆预紧力测试试验，锚杆材质为HRB500高强度左旋无纵筋螺纹钢锚杆，直径20mm、长度2400mm，共试验了三根锚杆，试验结果如下图所示。

图3 锚杆杆体预紧力随螺母扭矩变化图

从图上可知，随着锚杆螺母扭矩的增大，锚杆预紧力基本呈现直线增长趋势，当螺母扭矩由100N·m增加到400 N·m时，锚杆预紧力增大到60kN左右，达到杆体屈服载荷的38%，属于比较合理的预紧扭矩。

3现场试验

3.1支护设计原则  

巷道支护应根据特定的地质和开采条件，结合围岩失稳机理，选择合理的支护方式及参数。因此结合13313回风巷的具体条件，提出以下支护原则^[8]：

1）一次支护。尽量采用一次支护，即在巷道掘进期间，采用支护强度与刚度足够高的支护系统，实现一次支护就能有效控制巷道在整个服务期间的变形，避免二次支护和加强支护。

2）高强度和高刚度的支护系统。对采对掘巷道受强烈动压影响，围岩变形大，应采用高预应力、强力锚杆与锚索支护，甚至是全锚索支护。通过采用高强度锚杆材料及大直径、大吨位锚索钢绞线提高支护强度。

3）高预应力。预应力是锚杆支护中的关键因素，是区别锚杆支护是被动支护还是主动支护的参数，只有高预应力的锚杆支护才是真正的主动支护，才能充分发挥锚杆支护的作用，更重要的是通过施加高预应力也提高了支护系统的刚度。

4）支护系统构件匹配。包括托板、螺母、钢带等的参数与力学性能应相互匹配，锚杆与锚索的参数与力学性能应相互匹配，以最大限度地发挥锚杆支护的整体支护作用。

3.2支护参数设计

13311回风巷整体情况与13313回风巷基本相似，13311回风巷与13309工作面相距200m的时候开始整体变形，甚至出现了几次小范围的冒顶，直到与13309工作面错开150m左右才趋于稳定，巷道顶底板和两帮移进量均在2m左右。参考13311回风巷的支护方案及变形情况，再结合数值模拟、理论计算,分别提出了13313巷不同受力阶段的锚杆支护方案，如图4所示：

                 图4  13313回风巷支护参数图

（1）顶板支护

无论是巷道AB段、BC段还是CD段都采用统一的支护参数。锚索材料为Ф21.8mm，1*19股高强度低松弛预应力钢绞线，长度5200mm的与W钢带配合使用，长度8200mm的与钢筋托梁配合使用。采用一支MSK23120和一支MSCK2335树脂加长锚固，锚固长度为1890mm。采用W钢带护表，宽度280mm，厚度不低于4mm，长度4400mm。锚索托板采用300×280×14mm高强度可调心W型托板及配套调心球垫，托板高度不低于50mm，两凹槽间距210mm，托板承载能力不低于607kN。托梁采用直径16mm的钢筋，长度为2600mm，与W型锚索托板配套使用，钢筋中对中间距210mm。巷道采用双层经纬网进行护顶，经纬网材料为10^#铁丝，网孔规格50×50mm，网片规格5200×1100mm，网片采用搭接方式进行连接，搭接长度100mm，采用16^#铅丝联接，双丝双扣梳辫法隔孔相连，并不得小于3扣。5200m的锚索每排5根，间距1000mm，排距1000mm。8200mm的锚索布置在5200mm的锚索两排中间，每排2根，间距2000mm，排距1000mm。全部垂直顶板布置。要求锚索初始张拉不低于300kN，预紧力损失后不低于180kN。

（2）巷帮支护

整条13313巷道，巷道两帮都采用统一的锚杆参数。锚杆采用Φ20mm的HRB500高强度左旋无纵筋螺纹钢筋，长度2400mm，杆尾螺纹为M22，采用一支MSCKa2360树脂锚固剂，锚固长度为820mm。采用高强锚杆螺母M22，配合高强托板调心球垫和尼龙垫圈，托板采用拱型高强度托板，高度不低于36mm，托板尺寸不小于150×150×10mm，承载能力不低于210kN。采用W钢护板护表，宽280mm，长450mm，厚度不低于4mm。巷帮铺设经纬网，经纬网材料为10^#铁丝，网孔规格50×50mm，网片规格3500×1100mm，两网片之间搭接100mm，采用16^#铅丝联接，双丝双扣梳辫法隔孔相连，并不得小于3扣。每排4根锚杆，锚杆排距1000mm，间距900mm。全部垂直煤帮打设。锚杆预紧扭矩为400N•m。

巷道AB段和BC段采用相同的锚索参数，煤柱帮每排打设2根锚索，锚索间距为1800mm，排距为1000mm。而巷道CD段，煤柱帮每排打设2根锚索，锚索间距为1800mm，排距为2000mm。各段所用锚索规格型号相同。锚索材料为Φ17.8mm，1*17股高强度低松弛预应力钢绞线，长度4200mm。采用一支MSCKa23100树脂锚固剂锚固，锚固长度1130mm。采用300×300×12mm高强度可调心托板及配套锁具，高度不低于56mm，承载能力不低于353kN。帮锚索垂直煤柱帮打设。锚索初始张拉不低于200kN，预紧力损失后不低于120kN。

4支护效果分析

为了掌握对采对掘巷道矿压显现规律，检验围岩控制效果，现场对试验巷道进行了锚索锚杆受力和围岩表面位移监测，监测曲线分别见图5、图6和图7。

由图5可以得出，掘进面离13311回采面50m左右时，顶板锚索受力开始增大，随后随着离13311回采面距离的减小，顶板锚索受力逐渐增大。当掘进面与13311回采面相会后，锚索受力速度明显增加，特别是工作面后方80m左右范围为剧烈影响阶段；当巷道位于工作面后方150m以外时，围岩应力重新分布逐渐趋于稳定，顶板锚索受力也随之趋于稳定，达到250-300kN，约为锚索破断力的50%。锚索受力增长平稳，说明锚索初始预紧办较好地控制了巷道离层和围岩变形。

图5 顶锚索受力曲线

与巷道顶板锚索受力相比，帮锚杆受力增大的时间要早一些，当掘进面离13311回采面170m左右时，巷道帮锚杆受力即开始增大，随后随着离13311回采面距离的减小，巷帮锚杆受力逐渐增大。当掘进面与13311回采面相会后，锚杆受力速度明显增加，特别是工作面后方80m左右范围为剧烈影响阶段；当巷道位于工作面后方150m以外时，围岩应力重新分布逐渐趋于稳定，两帮锚杆受力也随之趋于稳定，达到140-160kN，约为锚杆破断力的70%。锚杆受力增长平稳，说明锚杆初始预紧办较好地控制了巷道离层和围岩变形。

图6 帮锚杆受力曲线

由图7可知：巷道在实体中掘进阶段围岩变形很小，当掘进面距离13311回采面100m左右时，由于13311工作面超前支承压力的影响，围岩应力不断增大，巷道变形量增加，且底板底鼓量明显大于顶板下沉量，煤柱侧煤帮变形量大于实体煤侧变形量。

当掘进面与回采面相会后，巷道变形速度明显增加，特别是工作面后方80m左右范围为剧烈影响阶段；当巷道位于工作面后方150m以外时，围岩应力重新分布逐渐趋于稳定，巷道表面变形也随之趋于稳定。其中以底鼓最为明显，达到380mm左右，两帮移近量为300mm左右，顶板几乎没有下沉。

图7 巷道表面位移监测曲线

5结论

（1）特厚煤层对采对掘巷道是一类比较特殊的巷道，它在成巷过程中及成巷后都要受到相邻工作面开采动压的影响，依据巷道围岩应力特点，可将整条巷道分为三段：第一段为实体煤掘进段，该段后期为有煤柱留巷段；第二段为迎采动掘巷段，可分为超前和滞后动压影响段，观测表明，当掘进面距回采面50m时，巷道围岩开始变形；工作面后方80m左右剧烈影响阶段，该段巷道是支护的重点和难点。第三段为沿煤柱掘巷段。

（2）提出了巷道煤层顶板采用短锚索加长锚索、两帮采用锚杆加锚索的高预应力强力支护方案，有效地控制了对采对掘巷道围岩变形破坏，工程实践表明，巷道顶底板最大移近量约400mm，两帮移近量380mm，巷道维护状况良好；取消了先前使用的加点柱和木垛等加强支护措施，降低了支护成本，减轻了工人的劳动强度。

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基金项目：国家自然科学基金煤炭联合基金资助项目（U1261211）

作者简介：郝登云（1988—），男。河南辉县人，硕士，助理研究员。