高预应力强力支护系统在运输大巷中的应用*

秦海忠

（晋城蓝焰煤业股份有限公司成庄矿，山西省晋城市，048000）

高预应力强力支护系统在运输大巷中的应用*

秦海忠

（晋城蓝焰煤业股份有限公司成庄矿，山西省晋城市，048000）

结合成庄矿运输大巷工程地质条件，分析了运输大巷失稳破坏机理。根据破坏机理，采用数值模拟和工程类比方法，提出了运输大巷采用高预应力强力支护系统设计方案，并对设计方案进行了试验，试验结果表明高预应力强力支护系统大幅度可提高围岩初期的支护强度和支护刚度，使围岩保持完整性和整体性，有效抑制围岩的不连续变形，从而提高了围岩自身的承载能力，在大幅度提高巷道掘进速度的同时，也降低了巷道支护成本。

运输大巷 高预应力 巷道支护 强力支护系统

随着煤矿巷道埋深的增加，大量难支护困难巷道开始涌现，如千米深井巷道、膨胀软岩巷道、冲击地压巷道、动压影响巷道及多巷布置的巷道群等，这些巷道具有的共同特点为巷道变形大、破坏严重，即使采取多次返修，仍不能有效控制巷道围岩的稳定，经常出现冒顶片帮现象，不能实现煤矿的安全生产。

针对巷道支护技术，部分学者提出了联合支护技术，联合支护技术主要采用先柔性支护，使围岩具有一定的变形量，然后再提高支护刚度，最终保持巷道围岩稳定。但现场应用发现，初期的柔性支护不能有效控制围岩变形，变形破坏后的围岩自承载能力弱，整体性差，即使后期采取高刚度支护方法也不能有效控制巷道变形。针对联合支护技术存在的问题，我国学者提出了高预应力强力支护技术，通过采用高强锚索、高强锚杆并匹配合理的护表构件，锚网索安装初期施加较大的预应力，大幅度提高围岩初期的支护强度和支护刚度，使围岩保持完整性和整体性，从而提高围岩自身的承载能力，以控制围岩的有害变形。

本文以成庄矿15#煤层运输大巷为实践现场，应用高预应力强力支护系统进行支护，并对支护后的巷道变形量进行监测，通过分析巷道变形量，验证高预应力强力支护系统在成庄矿15#煤层运输大巷中应用的可行性。

1　高预应力强力支护原理

康红普、侯朝炯等提出了高预应力强力支护理论，通过提高锚杆支护初期的预紧力，有效强化煤岩体弱面和各种裂隙，提高岩体的内聚力和内摩擦角，对围岩具有很好的强化作用，该支护原理主要体现在以下几个方面:

（1）巷道开挖初期，围岩主要以裂隙张开、错动和滑移等不连续变形为主，通过采用高预应力强力支护技术，及时主动控制围岩不连续变形的发展，从而大大提高围岩的自承载能力。

（2）巷道围岩具有临界支护刚度和支护强度。只有支护系统的支护刚度和强度大于围岩的临界值时，围岩才能保持稳定，采用高强锚网索和高预紧力可以大大提高支护系统的刚度和强度，从而可以有效控制巷道围岩的变形。

（3）高预紧力强力锚索将锚杆加固的浅层围岩和深部围岩结合起来，从而提高加固围岩的厚度和强度，使深部围岩和浅部围岩共同承载。

（4）巷道围岩控制坚持一次支护原则，如围岩多次返修和支护易造成围岩不连续变形的增加，使围岩整体性和完整性进一步弱化，增加了巷道支护难度。

2　工程应用

2.1工程地质条件

工业性试验地点为成庄矿15#煤层运输大巷，成庄矿15#煤层位于太原组一段上部，上距K2石灰岩0～2.5 m，下距K1砂岩0～25.80 m。煤层稳定，厚度较大，煤厚1.29～5.63 m，平均3.68 m，一般在3.00 m以上，中部及西北部较厚。煤层含夹矸0～7层，一般1～4层，夹矸厚0.10～0.30 m，结构复杂。其厚度变异系数为16%，可采性指数为1，属全区稳定的主要可采煤层。顶板为K2石灰岩，个别地段为泥岩或含钙泥岩。底板为泥岩，局部为粉砂岩。

15#煤层属于高瓦斯煤层，上距3#煤层约84 m，最大埋深684.27 m。15#煤层北翼盘区大巷基本与上部3#煤层三盘区巷道上下重叠，15#煤层一盘区带式输送机巷与相邻的一盘区轨道巷、一盘区回风巷之间的煤柱带中-中为30 m，均沿15#煤层布置，巷道沿15#煤层顶板掘进，巷道顶板为石灰岩，底板为泥岩。

在运输大巷掘进的过程中，巷道变形严重，尤其是帮部出现大量网兜，大量喷层开裂，底板鼓起，巷道变形持续时间长，严重影响了矿井的生产运输。

2.2运输大巷失稳破坏机理分析

（1）多条大巷相互影响。运输大巷与轨道大巷、回风大巷之间的煤柱为30 m。掘进过程中，大巷之间由于受相互采动影响，所以巷道之间的集中应力较大。地应力测试发现，最大水平主应力在8.75～10.44 MPa之间，最小水平主应力在4.65～5.54 MPa之间，垂直应力在8.49～8.55 MPa之间，地应力整体属于中等应力偏低区，但由于大巷之间相互影响，导致巷道之间的垂直集中应力可以达到25 MPa以上，属于高集中应力，高集中应力增加了巷道支护难度。

（2）顶板强度高，帮部强度较低。经过现场窥视和测试发现，15#煤层顶板岩层为石灰岩，强度较大，平均单轴抗压强度可以达到110 MPa左右，而帮部煤体的强度较低，仅12.89 MPa，且煤层节理、裂隙发育，风化后煤体更加破碎，再由于大巷断面较大，巷道帮部极不稳定，巷帮变形严重。

（3）原有支护方式不科学。原来的大巷支护强度较低，且只注重巷道顶板支护，不重视巷道帮部支护，15#煤层顶板为石灰岩，所以其顶板变形通常较小，而帮部煤体强度低，必须加强帮部支护。而原有的支护构件不匹配，如没有采用减磨垫片、调心球垫，护表构件与围岩接触面积小，不能有效施加高预紧力。

3　运输大巷支护方案及效果评价

3.1支护设计方法

目前，巷道支护设计方法主要采用动态信息设计法，动态信息设计法主要分两步，首先，对运输大巷试验区域进行地质力学评估，在地质力学评估的基础上，采用数值模拟设计方法和工程类比设计相结合的方法，确定运输大巷初始设计；其次，按照初始设计进行施工，并对施工过程中的质量进行控制，对试验巷道的矿压数据进行收集、分析，通过矿压数据信息来反馈初始设计，最后对初始设计进行科学优化，从而形成最终设计。

3.2支护方案

根据现场地质条件，确定运输大巷支护设计方案如下:

巷道顶板采用规格为ø22 mm×2400 mm、屈服强度为500 MPa的高强锚杆，采用K2335和Z2360树脂锚固剂锚固，锚固长度1200 mm，顶板锚杆间排距1200 mm×1100 mm，每排5根锚杆，护表构件采用金属网配合钢筋托梁，网孔为50 mm ×50mm，联网处孔孔相连，每排打设两根锚索，锚索间排距2400 mm×2200 mm，锚索规格ø22 mm×7300 mm，树脂药卷锚固，锚固长度1970 mm。

帮部锚杆与顶帮锚杆相同，帮部锚杆间排距950 mm×1000 mm，每排布置4根锚杆。

锚杆均使用匹配的减磨垫片、调心球垫及拱形托板，锚杆预紧扭矩均为200 N·m，锚索预紧力150 k N。

3.3支护效果分析

对运输大巷试验区域进行了表面位移监测，采用十字布点法在距运输大巷与轨道大巷联络巷50 m和100 m处的运输大巷中各安设表面位移监测站1和测站2，测站1的顶底板各安设一个测点，两帮各安设一个测点，主要监测巷道顶底板位移量和两帮位移量。测站1处的监测数据表明顶板下沉量较小，几乎为0，两帮收缩量也不大，最大仅90 mm，巷道掘进后20 d左右围岩已经保持稳定。测站2的表面位移监测结果与测站1的基本相同，顶板下沉量同样较小，仅25 mm，两帮收缩量80 mm。

由于采用高预紧力强力支护方案，锚杆的支护密度降低，预紧力提高，运输大巷平均掘进进尺达到500 m/月，与采用原支护大巷平均掘进进尺370 m/月相比，掘进速度提高了35.1%。对优化前后的支护方案的支护成本进行了核算对比可知，原支护方案支护总成本（包括人工、机械和材料费用）为13486元/m，优化后的支护总成本为9673元/m，巷道成本节省了3813元/m，节约巷道支护成本28.27%。

采用高预紧力强力锚杆锚索支护系统降低了巷道的变形量，提高了锚杆支护的可靠性，取得了明显支护效果。从巷道支护材料、巷道维护费用和人工费用三方面降低了支护成本，提高了巷道掘进速度，经济效益得到提高。新支护方案及时抑制了围岩早期变形，保证了服务期间巷道的稳定和安全，高预应力强力锚杆支护系统是一种安全、有效和经济的支护方式。

4　结论

（1）测定了成庄矿下组煤地应力大小、方向和运输大巷顶、帮煤岩体强度，确定了运输大巷失稳破坏的主要原因为多条大巷相互影响、顶板强度高、帮部强度较低及原有支护方式不科学。

（2）针对成庄矿运输大巷失稳破坏机理，提出了高预应力强力支护系统，通过提高支护系统的强度和刚度，及时控制围岩的不连续变形。现场工业性试验发现，高预应力强力支护系统支护下的巷道变形量小，在降低支护成本的同时，也大大提高了掘进速度，是一种安全、有效和经济的支护方式。

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Application of strong support system with high prestress force in main haulageway

Qin Haizhong
（Chengzhuang Coal Mine，Jincheng Blue Flame Coal Industry Co.，Ltd.，Jincheng，Shanxi 048000，China）

Based on the engineering geological conditions of main haulageway in Chengzhuang Coal Mine，the unstable failure mechanism of main haulageway was analyzed.According to the failure mechanism，the design scheme that the main haulageway adopted strong support system with high prestress force was put forward by using numerical simulation and engineering analogy method，and the test with the design scheme was conducted.The results showed that the support system greatly raised the supporting intensity and supporting stiffness of surrounding rock at the initial stage，kept the surrounding rock unbroken and integral，and effectively suppressed the deformation of the surrounding rock，so improved the bearing capacity，which greatly raised the roadway excavation speed and reduced the costs of roadway support.

main haulageway，high prestress force，roadway support，strong support system

TD353

A

秦海忠（1971-），男，硕士，工程师，山西高平人，现任晋城蓝焰煤业股份有限公司成庄矿副总工程师，主要从事煤矿生产技术开发与管理。

（责任编辑 张毅玲）

国家自然科学基金项目（U1261211），国家科技支撑计划课题（2012BAB13B02），科技创新基金面上项目（2014 MS037）