伯方煤矿松软厚煤层巷道支护技术研究

冯思儒，暴斌

（山西兰花科技创业股份有限公司伯方煤矿分公司，山西 高平 048400）

0 引言

煤炭开采分为露天开采和井工开采，在我国现阶段，主要以井工开采为主，井工开采煤炭时需要在井下掘出大量的巷道用来通风、行人和运料[1]。我国松软破碎岩层矿区分布很广[2]，松软厚煤层回采巷道一般沿煤层顶板掘进，底板与两帮均为松软破碎岩体，在工作面采动影响下常常出现两帮内移、底板鼓起量大的特征[3]。松软、破碎煤岩体巷道的围岩控制问题一直是困扰煤矿工程技术人员和科研人员的难以完全解决的难题。随着开采深度的增加，巷道围岩应力也逐渐增大，原本强度较高的煤岩体在高应力作用下，也逐渐表现出软岩的特性，发生越来越难以控制的大变形，导致巷道围岩控制越来越困难[4]。

已有研究表明，国内外学者通过对实际工程案例的分析研究，对松软破碎煤岩体巷道围岩变形特征及破坏机理作了较多且较为深入的研究[5]，利用不同的研究手段从不同的角度研究了国内较为常见的松软破碎煤岩体巷道围岩破坏形式，获得了较多的研究成果。孟庆彬等[6]依据赵楼矿井底车场巷道围岩内外部变形特征和应力分布规律，深入研究了深部软岩巷道围岩变形破坏原因，提出了“三锚”联合支护体系，取得较好的围岩控制效果。孙晓明、何满朝等[7]以锚网索耦合支护设计理念为前提，提出了适合软岩巷道支护的强化支护方案，有效控制了软岩巷道的围岩大变形。刘立东、王俊虎等研究了霍州白龙矿典型的松散膨胀性软岩巷道的破坏机理并得出相关结论[8]。白国良、梁冰从能量的角度研究了岩体的破坏机制，提出了判别围岩失稳的能量准则[9]。目前我国巷道围岩控制技术主要有表面支护[10]、锚杆锚固、围岩改性、围岩卸压及多种控制方法联合控制技术[11-12]。伯方煤业煤层约6 m厚，工作面顺槽一般沿煤层底板布置，采用高强锚杆、锚索联合支护形式，但由于支护参数不合理，巷道围岩变形较大，除顶板下沉量较大外，底板底鼓和两帮的大量移近，也给巷道的安全使用和通风行人带来了诸多的困难，亟需对这种松软厚煤层巷道围岩支护提出新的支护技术或方案，才能保证工作面巷道的安全和正常使用。

1 概况

井田位于山西省高平市城区西北约7 km 处的伯方村西，为沁水煤田高平矿区王报井田的一部分。井田东西长约6.886 1 km，南北宽约6.020 09 km，面积27.491 6 km2，限采标高+900—+370 m。井田内可采煤层为3 号煤层，位于山西组下部，煤层厚3.15～6.13 m，平均厚5.31 m，煤层底板标高+900—+470 m，埋藏深度40～372 m。煤层结构简单至复杂，含夹矸0～3 层，属稳定全区可采厚煤层。煤层直接顶板主要为粉砂岩，次为砂质泥岩和中粒砂岩，局部有炭质泥岩伪顶；底板主要为砂岩、粉砂岩和泥岩，伪底为炭质泥岩。

井田总体为倾向北西的单斜构造，倾角3°～10°。根据已掘巷道揭露及三维地震勘探结果，井田内共分布3 m 以上高角度正断层57 条，其中，12 条断层落差在10 m 及以上；20 条断层落差在5～9 m；25 条断层落差在5 m 以下。断层走向以北东至近东西为主，次为北西向。

2 伯方煤矿三盘区运输巷锚杆、锚索的支护参数

伯方煤矿三盘区工作面运输沿煤层底部掘进，总宽5 500 m，总高3 050 mm。建议巷道锚索布置放方式为：屋面采用6 根锚杆，锚杆间距设置为900 mm；工作台面两侧各有4 根锚杆。采用间距设置为800 mm，锚杆确定为1 000 mm。三盘区运输巷锚杆、锚索支护情况如图1所示。

图1 三盘区运输巷锚杆、锚索支护示意Fig.1 Bolt,anchor cable support of three panel transportation roadway

2.1 顶板锚杆

采用屈服强度不低于335 MPa 的左旋螺纹钢高强度锚杆进行顶板支护，锚杆φ22 mm，长2 400 mm。配备高强度拱形托盘和高强度螺母。托盘尺寸为150 mm x 150 mm x 10 mm。小于300 kN。使用较长的树脂锚，钻孔直径为30 mm 以下，并使用1 卷CKb2360 标准锚固剂，使用Z2360 树脂锚固剂。本设计使用的锚杆固定力为150 kN。辅助工具由铅丝网和加强梯梁组成，铅丝网采用第10根铅丝编织而成的菱形网。网格长度为5 900 mm，宽度为1 100 mm。铅丝网长50 mm，宽50 mm。配套的钢梯梁焊接在直径14 mm、宽100 mm 的钢筋上。梯梁长5 100 mm，宽100 mm。铁线与按钮相连。锚固件的临时拧紧力矩为290 N·m 或更大。

2.2 顶板锚索

选用1×19 股高强度低松弛钢绞线制作成顶板锚索，锚索直径为22 mm，其极限破断力的强度为1 860 MPa，此时破断力为532 kN，其延伸率大于7%。锚索长8 000 mm，1 排2 根布置，间排距为1 900 mm×2 000 mm 规格。锚索钻孔直径≤30 mm，采用K2360 树脂锚固剂锚固1 支，采用Z2360 树脂锚固剂锚固2 支。锚索锚固力设计为300 kN。采用300 mm×300 mm×15 mm 的高强球型托盘，其承载能力应不低于532 kN，预紧力≥250 kN 的锚索。

2.3 两帮锚杆

采用屈服强度不低于335 MPa 的左旋螺纹钢高强度锚杆进行两帮支护，锚杆长度2 400 mm，φ22 mm，配套高强拱形托盘和高强螺母规格为150 mm×150 mm×10 mm。使用直径28 mm 的钻头打孔，钻孔直径≤30 mm。每孔1 支Z2335 和1 支Z2360 树脂锚固剂，锚固长度约1 210 mm；锚杆锚固力100 kN。回采帮采用规格为MTS421φ16 mm×2 200 mm 型胀套锚杆，设计预紧力矩100 N.m，锚固力50 kN，钻孔直径43 mm，托盘尺寸120 mm×120 mm×8 mm。

2.4 两帮锚索

在巷道开挖过程中，煤质较软，根据实际情况，可在巷道两排中安装锚索。锚杆采用1×19 高强度低松弛钢绞线，直径22 mm，极限强度1 860 MPa，极限破坏力532 kN，伸长率7%以上。锚索长度为5 300 mm。锚索在巷道高度中心以2 000 mm 的间距排列成一排。锚索孔径为30 mm 以下，树脂锚固剂共使用3 种，K2360 型1 种，Z2360 型2 种。锚索锚固力一般不低于锚索屈服荷载，此处设计为300 kN。锚索托盘采用规格为300 mm×300 mm×15 mm 的高强度球形托盘，承载力必须在532 kN 以上，锚索的预紧力未损失前必须在250 kN 以上。

3 工业性试验

为及时获取巷道锚杆、锚索的实际受力状态，评估巷道锚杆、锚索设计是否合理，以便能够及时调整支护参数，达到动态监测、动态调整的目的。根据锚杆支护技术规范的要求，需要对巷道收敛情况进行监测。

设计采用十字布点法安设测站，在距离试验巷道开口段50 m 左右和150 m 左右各布置1 个测站，每个测站各安设2 个监测断面。测站的基点采用直径为22 mm、长度为400 mm 的左旋螺纹钢打设在围岩内并外露100 mm 左右（也可以采用左旋螺纹钢锚杆直接截断使用），基点应安设牢固，不能在受到其它工作影响后就松动脱落。测站建立初期，每天观测1 次，一周后3 d 观测1 次，30 d 天后7 d 观测一次，根据观测记录，及时分析巷道围岩变形特征并反馈给设计单位，便于及时调整支护参数，确保巷道围岩稳定。图2是巷道采用项目提出的新的支护设计后顶、底板及两帮围岩移近量变化规律。

图2 巷道围岩变形量趋势Fig.2 Deformation trend of roadway surrounding rock

从图2可以看出，采用优化后的支护方案，巷道掘出约10 d 左右内，巷道围岩变形量较大，且变形速度也较快，随着时间的推移，巷道围岩变形速度逐渐降低，变形量也逐渐减小。测站1 前10 d内的顶底板移近量约为95 mm，两帮移近量约为94 mm；测站2 前10 d 内的顶底板移近量约为98 mm，两帮移近量约为92 mm；10～30 d，测站1和测站2 的巷道围岩顶底板移近量和两帮移近量增加均很小，其中顶底板移近量约50 mm，两帮移近量约10 mm；30 d 以后，巷道顶底板移近量和两帮移近量几乎均不再增加，巷道围岩处于相对稳定的状态。由此可见，采用该支护方案后有效控制了松软厚煤层围岩的大变形问题，满足了巷道在服务期内的使用要求。

4 结论

（1） 分析了松软厚煤层大变形巷道变形机理及控制方法，针对伯方煤矿三采区运输顺槽的大变形问题，采用松软厚煤层巷道大变形控制技术，保证了巷道顺槽沿煤层底板掘进，提高工作面煤层回采率，增加巨大的经济效益。

（2） 采用该支护方案后，有效的控制了松软厚煤层围岩的大变形问题，满足了巷道在服务期内的使用要求。在兰花集团内，可为类似地质条件的松软厚煤层大变形巷道的围岩控制提供借鉴。