厚煤层巷道锚索梁支护试验研究

厚煤层巷道锚索梁支护试验研究

陈鹏王育奎

山东高速工程检测有限公司山东济南250002

摘要：针对厚煤层巷道围岩变形特点，设计了一种新型锚索梁支护形式，该系统由普通锚网索+纵向双排工字钢梁+锚索让压环组成。现场试验结果表明：新型锚索梁支护系统极大地改善了巷道围岩控制效果，研究结果为类似地质条件下的巷道支护提供了一种新型锚索梁支护形式。

关键词：深井；新型锚索梁支护系统；巷道支护；现场试验

随着矿井开拓逐渐向深部发展，“三高一扰动”的复杂地质应力环境对深井煤巷支护提出了更高要求[1]。同时，我国煤炭资源储量与产量中，厚煤层占总储量的45%左右[2]，在深部复杂地质条件下，特厚煤层巷道顶板煤体碎胀严重，整体强度极低，与稳定岩层力学性质差别很大，且常常胶结薄弱，极易出现离层；巷道顶板下沉量大，持续变形现象明显，给巷道围岩控制带来极大的困难，个别区域因支护不当甚至发生顶板事故[3]。

随着深部煤巷支护难度的增大，单一的支护方式很难满足深井巷道的支护特点。本文以厚煤层巷道为工程背景，提出一种新型锚索梁支护系统。

1工程概况

1.1工程地质概况

济北矿区某矿2308工作面轨道顺槽埋深将近1000m，煤层厚度4.5~9.6m，平均煤厚8.2m，煤层结构复杂，煤层普氏系数f为1.0~2.6，平均1.8。地应力测试表明，该区域最大水平地应力为32.8MPa，竖向地应力为23.7MPa。工作面轨道顺槽为矩形断面，宽×高为：4400mm×3200mm，顶煤厚度5.0m，顶煤上方为3.5m泥岩，老顶为13.2m细砂岩，煤岩交界面粘结力低，离层明显，巷道直接底为3.3m泥岩，老底为4.5m粉砂岩。

1.2原支护方案围岩控制效果

原支护方案中，顶板设计为锚梁网索支护，两帮为锚网支护，并铺设钢筋梯保护巷道表面。顶部采用Φ22×2400mmKMG500左旋无纵筋螺纹钢锚杆，预紧力150N.m，帮部采用Φ20×2000mmKMG400左旋无纵筋全螺纹锚杆，预紧力100N.m，顶板及两帮锚杆间排距为800×800mm；锚索型号为Φ17.8×5800mm，预紧力100kN，间排距1800mm×1600mm。采用T型钢带支护顶板，长度为4300mm，钢带宽为140mm，厚为10mm。

原支护条件下（锚网索带支护），巷道控顶效果较差，顶板变形剧烈，严重区域累计沉降量达到432mm，两帮移近量累计达到326mm。两帮底角、肩窝以及顶板等关键部位出现锚杆崩断、滑脱及托盘压裂等现象；锚索托盘多处出现反弯或压裂；顶板及两帮部位的金属网网兜现象非常严重，甚至出现撕裂，失去护表作用。

2新型支护系统方案设计

针对原支护方案中出现的问题，以典型深井特厚煤层2308工作面轨道巷地质条件为工程背景，设计支护对比方案。

现有的巷道支护方案中，基本采用横向布置锚索梁，极少涉及纵向布置。然而相对于横向间隔布置，纵向布置时的锚索梁能直接作用于巷道顶板，与横向钢带形成网状结构，可能达到有效控制围岩关键部位变形。因此，本文根据锚索梁不同布置方式设计了具有让压功能的纵向双梁支护方案。

在原支护方案的基础上打设工字钢锚索梁，工字钢梁选用矿用12#工字钢，钢梁长度均为3400mm。每根钢梁安设3根锚索，锚索均配有让压环。工字钢锚索梁纵向放置，每组2根，间距1800mm，排距1600mm；每根箱梁安装3根锚索，并在锚索端部加装让压环。具体参数见图2。

3现场工业性试验

（1）巷道表面位移监测

图2所示为3#监测断面巷道围岩变形曲线，其中“横梁-顶板”表示横梁方案顶板沉降量，其余依次类推。分析图2监测曲线可知：

①巷道掘进后，围岩变形量急剧增加，工作面向前推进15~20d后，支护系统逐步发挥作用，变形量缓慢增加直至趋向稳定；

②纵向双梁方案比原支护方案的顶板沉降量降低56.8%；纵向双梁支护方案明显改善了巷道围岩控制效果，其中对顶板变形的控制更加显著。

③新型锚索梁支护系统的作用机制为：工字钢锚索梁与横向钢带组合成纵横联合的，近似三维的控制体系，提高了支护系统的整体强度和刚度，从而有效控制巷道围岩变形，提高巷道的整体稳定性和承载能力。

图1工字钢锚索梁纵向双梁支护方案

图23#监测断面巷道表面位移监测曲线

（3）锚杆、锚索受力监测分析

两支护方案的锚杆、锚索受力监测曲线如图3所示，图中“横梁-锚杆”表示横梁方案锚杆受力曲线，其余类推。由图3可知：

①巷道掘进初期，由于开挖引起围岩应力重新分布活动剧烈，锚杆（索）的托锚力增长较快，大约持续15~20d，与巷道表面位移趋稳时间大体一致，随着巷道掘进，锚杆受力基本趋于稳定，锚索受力增速减小。

②锚索让压环主动让压效果明显。纵向双梁支护方案中由于锚索让压环的作用，当锚固力增加到200kN左右时，出现了较长的稳定阶段，这与锚索让压环的第一阶段让压荷载基本一致，表明锚索让压环能够有效缓解上覆岩层作用于锚索梁等组合构件的压力，避免高地应力条件下锚索因载荷过大而产生破断，让压效果明显，让压结束后锚索受力为248kN。横梁方案中锚索受力一直增长，120天时受力达到347kN，接近锚索破断荷载，在回采阶段将无法承受采动压力而破断，导致支护体系崩溃。

图32#监测断面锚杆、锚索受力监测曲线

4结论

（1）纵向双梁支护方案有效改善了围岩控制效果，对顶板变形的控制效果更加显著。顶板沉降量降低29.4%，说明新型锚索梁支护系统能够有效控制巷道围岩变形，研究结果为类似地质条件下的巷道支护提供了有益借鉴。

（2）锚索让压环的让压效果明显。巷道掘进期间，新型锚索梁支护系统中锚索受力达到200kN左右时发挥让压作用，回采前锚索受力稳定在248kN，为后期工作面回采提供了强度储备。

（3）新型锚索梁支护系统的作用机制为纵向锚索梁使巷道顶板支护构件组合成纵横联合的支护形式，支护系统可向巷道围岩表面提供径向和轴向方向上的支承力，形成近似三维支护体系，整体刚度、强度得到提高；锚索让压环使得支护体系实现定量让压，既能防止锚索过载破断，保证支护体系完整性，又能够充分发挥围岩自承能力。

参考文献：

[1]康红普，王金华，林健.高预应力强力支护系统及其在深部巷道中的应用[J].煤炭学报，2007，32(12)：1233-1238.

[2]王家臣.厚煤层开采理论与技术[M].北京:冶金工业出版社,2009.

[3]袁亮.深井巷道围岩控制理论及淮南矿区工程实践[M].煤炭工业出版社,2006:118-122.