深部大断面巷道高应力支护系统研究与实践

深部大断面巷道高应力支护系统研究与实践

韩立兵

开滦能源化工股份有限公司范各庄矿业分公司 唐山 古冶 063108

摘要：3X71S工作面为深部三下采区首采工作面，采用锚杆支护，由于支护强度低，风道损坏变形严重，多次进行维修治理，影响巷道使用。其下3X73S工作面投入，从提高支护强度入手，采用了高预应力锚杆支护系统。实践表明，巷道整体支护能力得到加强，围岩得到很好控制，取得较好支护效果，为类似条件工作面锚杆支护提供了技术支撑。

关键词：深部；大断面；高预应力支护系统

1. 工作面地质技术条件

1.1工作面煤层情况

煤层为复杂结构煤层，煤层厚度变化较大，最厚3.44米，最薄2.36米，平均2.87米；煤层倾角变化较大，最大25°，最小9°，平均15°。

1.2工作面煤层顶底板情况

1.3巷道围岩分类

参照以往7煤层工作面及3X71S工作面顶、底板强度、煤层强度及分类结果，确定工作面巷道围岩分类结果为Ⅲ类。

2 锚杆支护理论与作用机理

2.1 高预应力强力支护理论

锚杆作用控制锚固区围岩离层、滑动、裂隙张开、新裂纹产生等扩容、不连续变形破坏，使围岩处于受压状态，抑制围岩弯曲变形、拉伸与剪切破坏，保持锚固区围岩完整性，减小强度降低。

在锚固区产生较大的压应力区，形成预应力承载结构，阻止锚固区外岩层产生离层，改善围岩部应力分布。

锚索发挥作用。一是将锚杆承载结构与深部围岩相连；二是与锚杆有效压应力区连接、重叠，形成骨架网状结构；三是消除了锚杆端部的拉应力区。

深部与复杂困难巷道采用高预应力、强力锚杆支护，实现一次支护有效控制围岩变形，尽量避免二次支护。

2.2整体支护理论

对帮部煤岩体相对较软与超高帮巷道，在保证顶板安全的前提下，重点加强帮部支护；重视顶帮支护强度的协调。

对应力型底鼓巷道，应加强帮下角的支护强度，对控制底鼓有明显的效果。

对煤岩体酥软巷道，应选择护表面积、强度大的构件。

2.3预应力全长锚固理论

较高的预紧力，能够提高承载结构的稳定性与承载能力。采用全长锚固，可大幅度提高锚杆的抗剪切错动能力，防止锚杆尾部、锚固与非锚固界面破断。

3 实施方案

3.1 确定支护形式与参数的原则

1)一次支护原则；

2)高预应力与预应力扩散原则；

3)“三高一低”原则(高强度、高刚度、高可靠性，低密度)

4)相互匹配原则；

5)可操作性原则；

6)经济合理原则。

3.2 支护对策

1)使用锚—梁—网—索联合支护，保持顶板锚杆支护的整体性；2)在受邻近动压影响的巷道使用高强度锚杆；

3)在断层附近增加顶锚杆和锚索的密度；

4)在无条件打锚杆的区域使用金属支架。

3.3 支护方案确定

3.3.1 巷道断面确定

为满足生产和安装的需要,3X73S风道设计断面为5.2*3.0m²，运道设计断面为5.2*3.0 m²（运道下帮高度不低于2.6m）。巷道留有一定富余量，实现让压目的。

3.3.2 顶板支护

采用高预应力锚杆支护系统，重点提升顶板支护强度。顶板采用顶锚杆、金属菱形网、U型钢带组合支护系统方式，并进行锚索补强，保持顶板支护系统整体性。

1）顶锚杆长度与强度确定

锚杆长度与支护效果具有密切关系。锚杆长度的加长，能使上覆岩层形成较厚的加固体，可以提高锚杆支护效果，增强巷道围岩的稳定性。高强度锚杆，可以承载更多的破碎岩石，可以抵御更强烈的水平剪切荷载。

根据已有7煤层巷道锚网支护经验和目前支护材料，确定3X73S风、运道顶锚杆长度为2.4m，风、运道顶锚杆间距不大于0.8m。

2）护帮锚杆的选取与参数确定

为有效控制巷道两帮变形，两帮采用直径为20mm，长度为2000mm的等强锚杆，辅以金属菱形网配合4mm厚的“U”钢带护帮，帮锚杆间距不大于800mm，排距与顶锚杆排距一致，锚固力不低于30KN，每眼装1支K2550树脂锚固剂。

3）锚索的补强支护作用

采用直径21.6mm的高强度、低松弛钢绞线锚索，长度为9.5m，托板规格为500mm长的25U型钢。锚索间排距，风、运道锚索采取3趟布置，锚索排距均为2.4m；

为有效控制巷道两帮变形，对巷道两帮帮采取加补锚索的方式进行巷帮加固。锚索参数：直径不小于17.8mm的高强度、低松弛钢绞线锚索，托盘规格为500mm长的25U型钢，锚索长度4m,每孔装2卷树脂锚固剂（1支CK2530和1支K2550），帮锚索均采用单趟布置，布置在巷帮中间，间距均为2.4m。

4施工管理

锚杆支护施工质量与速度取决于工艺。根据围岩条件，选择适宜施工工艺保证支护质量。合理安排各工序顺序和时间，实现过程衔接相互配套，是提高锚杆支护施工速度的重要途径。必须抓好现场操作，完善施工工艺，严格按照作业规程进行规范施工。

施工时，要保证锚杆、锚索施工速度，及时形成支护承载层。同时，要保证锚杆锚固力、初锚力与螺母扭矩达到标准要求。施工前，对上一班施工锚杆、锚索进行再次紧固，顶锚杆螺母扭矩达到不小于140N.m，帮锚杆螺母扭矩不小于60N.m。

锚索支护部位、支护时间与施加的预紧力，要与整个支护体系相匹配。锚索支护时间与施加的预紧力要与锚杆相匹配，应使锚杆、锚索实现同步受力，形成同步承载层，或使锚杆先受力，使其支护强度得到充分发挥。

提高锚杆预紧力。预紧力是体现锚杆支护主动性的重要指标，锚网支护效果好坏，很大程度上，取决于锚杆预紧力能否满足要求。施加一定的预紧力，既能提高锚固承载层的承载能力，又能提高锚杆自身支护刚度，从而使整个锚杆支护系统充分发挥其支护能力。

5矿压监测及应用效果

矿压监测是锚杆支护过程中不可或缺的环节，监测围岩位移与支护体受力，对其支护效果进行评价，是验证锚杆支护效果的重要依据。

5.1矿压监测

巷道监测采用顶板离层仪和十字测点相结合的方法。十字点间距不大于30米，顶板离层仪安装间距为30m－50m。顶板离层仪主要监测顶板的内离层值与外离层值；十字测点主要监测顶板的下沉量、下沉速度、两帮移近量及移近速度。

5.2效果检验

巷道施工完成后，顶板离层仪内外变形合计最大值为19mm，十字监测点顶板下沉量最大为54mm，两帮移近量最大为238mm。顶板及巷帮各项监测数据变化正常。

6结语

1）采用大断面支护，为使用先进采煤技术装备创造条件。实现工作面回采快速推进，提升回采效率，减轻员工劳动强度，确保安全可靠性。

2）高预应力强力支护是今后锚杆支护发展方向，锚杆、锚索预应力是决定支护效果的最重要因素；合理匹配锚杆、锚索与各构件保证支护效果的重要方法。

参考文献：

1. 煤巷锚杆支护理论与成套技/康红普、王金华等著.-北京：煤炭工业出版社，2007.11

2. 矿山压力与岩层控制/钱明高、石平五、许家林.-中国矿业大学出版社，2010.09

3. 煤矿巷道锚杆支护技术规范（GB/T35056-2018）

作者简介：韩立兵，男，40岁，2004年毕业于河北工程大学，工程师，现任开滦能源化工股份有限公司范各庄矿业分公司掘进主管工程师。