高应力厚泥岩顶板煤巷梯次支护技术的实践

孙 磊 梁立博 韩应伟

（济宁矿业集团花园井田资源开发有限公司，山东 济宁 272200）

1 工程概况

1.1 概况

济宁矿业集团花园煤矿4308 工作面开采3#煤层，煤层平均厚度2.48 m，平均倾角8°。煤层岩性以泥岩、砂质泥岩和细砂岩为主，泥岩厚度2.40 m，砂质泥岩厚度16.50 m，细砂岩厚度2.30 m。

1.2 巷道原支护方式

4308 轨道顺槽为矩形断面，净宽4400 mm、净高3000 mm，原永久支护为锚网索梁联合支护。

顶板支护：采用Φ22 mm×2200 mm 高强锚杆，间排距800 mm×800 mm；顶板铺设钢筋网，网孔规格：50 mm×50 mm；顶板每排使用1 片M 钢带，眼距830 mm；顶板每排打设3 排锚索梁，锚索规格为Φ21.6 mm×6300 mm，锚索托盘采用钢板加工，规格为240 mm×120 mm×12 mm。

帮部支护：采用Φ22 mm×2200 mm 高强锚杆配合M 钢带，排距为800 mm，铺设小眼点焊钢筋网，网孔规格：50 mm×50 mm。

1.3 问题分析

4308 轨道顺槽局部地段底鼓突出，两帮移近量大，巷道部分锚杆、锚索破断，断面收缩明显，多数地段还要割底、架棚，巷道维修困难，影响工程进度。根据4308 轨道顺槽厚泥岩顶板实况，采用FLAC5.0 数值计算软件模拟分析巷道围岩内部位移矢量、应力分布特征及锚杆支护对围岩力学参数性能的改变，分析影响深部开采煤体巷道围岩大变形的主要因素，提出解决巷道厚泥岩顶板的支护方案。

2 厚泥岩巷道梯次支护技术原理

2.1 厚泥岩巷道梯次支护原理

厚泥岩巷道梯次支护技术如图1。一阶支护为巷道顶板分层支护；二阶支护为采用短锚索支护，控制顶板中下部软弱煤岩；三阶支护为采用长锚索对已形成的二阶锚固承载体向顶板上部深层煤岩体实施整体组合锚固。

图1 梯次支护技术原理示意图

2.2 “类刚性梁”结构生成

巷道梯次支护即为将巷道浅部支护与深部支护技术相结合的支护手段，通过短锚杆、长锚杆、锚索等支护形式，将围岩离层软岩锚固，形成一定强度整体围岩，达到抵抗围岩变形的目的。将顶板锚固在一起形成的结构，称为“类刚性梁”结构，如图2。

图2 “类刚性梁”结构示意图

3 巷道围岩控制方案及参数设计

3.1 模型建立

数据模拟基于4308 轨道顺槽开挖后所处岩层层位，采用FLAC5.0 模拟分析该位置处于原支护条件运输巷道围岩应力分布和矿压显现特征。

3.2 原支护方案模拟分析

4308 轨道顺槽原支护方案模拟结果表明：采用原支护方式进行支护后，顶板下沉量、底鼓量、左帮移近量、右帮移近量分别为435 mm、658 mm、839 mm、732 mm。原支护方式对巷道围岩控制效果较差，垂直位移量较小，底鼓量较顶板下沉量大很多，断面面积从14.18 m2变形为6.18 m2，断面收缩56%，属于大变形，需优化调整。

3.3 优化支护方案及模拟分析

3.3.1 优化支护方案

根据4308 轨道顺槽实况及原支护方案效果，拟采用高强锚网索联合支护方案[1-2]。锚杆选取3种 不 同 规 格Φ22 mm×（2200 mm、2500 mm、2800 mm）进行模拟比选，锚索选取3 种不同规格Φ21.6 mm×（6300 mm、8300 mm、9300 mm）进行模拟比选，锚杆间排距选取3 种不同规格（800 mm×800 mm、700 mm×700 mm、600 mm×600 mm）进行模拟比选，单因素方法。

3.3.2 锚杆模拟分析

锚杆3 种不同规格Φ22 mm×（2200 mm、2500 mm、2800 mm）模拟比选结果表明：对比2200 mm 长度锚杆，2500 mm 和2800 mm 长度锚杆对增加围岩强度以及改善围岩峰后强度有较好的效果，其应力集中向四周转移。此时，主要是以塑性变形为主，随着塑性区的发展，围岩仍会发生碎胀变形，尽管较长锚杆可增加锚固长度，但效果不佳，没能调动深部稳定的岩体作用，顶板及两帮出现不同程度的变形，底板为弱面，没采取任何措施，底鼓量还是很大，仍需要辅助其他支护方式。综合经济因素，确定采用2500 mm 锚杆。

3.3.3 锚索模拟分析

巷道断面在采取长锚杆支护的基础上，采用锚索进行补强。顶板施加3 根预应力钢绞线锚索，两帮分别施加1 根预应力钢绞线锚索。锚索3 种不同 规 格Φ21.6 mm×（6300 mm、8300 mm、9300 mm）模拟比选结果表明：施加锚索支护后，剪应力向巷道深部围岩延伸，应力集中程度减小，巷道变形量减小；长度为8300 mm 和9300 mm 锚索的支护效果要好于长度为6300 mm 锚索，而长度为8300 mm 和9300 mm 锚索两者之间的支护效果相差较小。综合经济因素，确定采用8300 mm 锚索。

依据梯次支护技术的基本原理，在巷道顶板岩层中形成一定厚度的具有组合锚固效应的阶梯式立体支护结构，控制顶板围岩变形，使锚索达到耦合支护的效果，配合6.3 m 锚索强化锚固承载结构。

3.3.4 间排距模拟分析

锚杆间排距3 种不同规格（800 mm×800 mm、700 mm×700 mm、600 mm×600 mm），选取锚索间排距为锚杆间排距的2 倍。从模拟应力分布数据可知，当锚杆间排距为700 mm×700 mm 和600 mm×600 mm 时，锚杆对围岩的支护效果较好。根据数值模拟分析可知，三种不同间排距时4308轨道顺槽围岩位移情况见表1。

表1 4308 轨道顺槽不同间排距时围岩最大位移量情况表

表1 数据表明，4308 轨道顺槽采用小间排距支护后，基于支护密度的增加，巷道围岩的变形量进一步降低，小间排距支护参数的应用可有效增加巷道围岩的稳定性。当间排距为800 mm×800 mm时，其支护效果基本能满足要求，在非特殊地质段基于经济效益考虑，采用800 mm×800 mm 间排距即可。

3.4 优化支护参数的确定

通过有限元数值计算及研究分析，确定4308轨道顺槽支护参数如下：

（1）顶板支护形式。采用Φ22 mm×2500 mm超高强锚杆（屈服强度500 MPa），锚杆间排距800 mm×800 mm；顶板铺设钢筋网，网孔规格：50 mm×50 mm；顶板每排使用1 片6 眼4.35 m 长的M 钢带，眼距800 mm；每根锚杆使用MSK2550树脂锚固剂（白色，先装）和MSZ2550树脂锚固剂（蓝色，后装）各1 支；顶板锚杆扭矩不小于300 N·m。

顶板沿走向依次布置5 排锚索梁，形成“三二交替布置”。“三”为长锚索，锚索规格Φ21.6 mm×8300 mm；“二”为短锚索，锚索规格Φ21.6 mm×6300 mm。锚索梁采用2.0 m 长16#槽钢梁，两个眼孔距离为1.6 m，且锚索需加让压管。每根锚索使用4 支MSZ250 树脂锚固剂（蓝色），锚索预紧力不低于200 kN。顶部锚索必须紧跟掘进迎头施工安装（下帮的1 组锚索梁除外）。

（2）帮部支护形式。采用Φ22 mm×2500 mm 超高强锚杆（屈服强度500 MPa），两帮使用竖向M 钢带（1000 mm 长2 眼及1700 mm 长3 眼钢带搭配使用，眼距700 mm），锚杆间排距为700 mm×800 mm；铺设小眼点焊钢筋网（网格70 mm×70 mm），每根锚杆使用MSK2550 树脂锚固剂（白色，先装）和MSZ2550 树脂锚固剂（蓝色，后装）各1 支，帮锚杆螺母扭矩不小于200 N·m。

（3）巷道两帮均采用横向锚索梁控制变形。沿巷道走向在两帮中部各布置1 排锚索梁，“一梁二索”，锚索规格为Φ21.6 mm×6300 mm，锚索梁采用2.0 m长16#槽钢加工，两个眼孔距离为1.6 m，锚索梁托盘为200 mm×120 mm×20 mm；每根锚索使用4 支MSZ2550 树脂锚固剂（蓝色），锚索预紧力不低于200 kN，帮部锚索梁滞后掘进迎头不超过20 m。4308 轨道顺槽断面支护如图3。

图3 4308 轨道顺槽断面支护示意图

4 巷道围岩表面位移观测分析

4308 轨道顺槽梯次支护方案应用于巷道250～850 m 处，在梯次支护方案应用段范围内，在巷道300 m、450 m、600 m 处各布置一个测站，两帮及顶底板移近量结果如图4。

图4 围岩变形量规律

由图4 可知，4308 轨道顺槽梯次支护方案应用段顶板下沉量均小于10 mm，支护效果理想，两帮移近量小于80 mm，巷道围岩变形量较小，围岩稳定性较好。

5 效果分析

4308 轨道顺槽从2021 年5 月21 日开始至8 月23 日工业性试验结束，掘进期间共施工93 d，成巷680 m。4308 轨道顺槽应用高预应力煤巷锚网索为基础的梯次支护技术，巷道围岩变形量较小，支护效果理想。4308 轨道顺槽在回采期间受工作面超前支承压力影响，对比掘进期间巷道变形量有明显增加，但整体来看巷道围岩没有出现较大变形量，支护效果理想，巷道维护满足区段安全开采的要求。