高地应力下大断面煤巷防冲锚固控制技术*

宁 勇，王 斌, 2, 3，冯 涛，郭泽洋



高地应力下大断面煤巷防冲锚固控制技术*

宁 勇1，王 斌1, 2, 3，冯 涛1，郭泽洋1

(1.湖南科技大学 资源环境与安全工程学院，湖南 湘潭市 411201；2.湖南科技大学 南方煤矿瓦斯与顶板灾害预防控制安全生产重点实验室，湖南 湘潭市 411201；3.湖南科技大学 煤矿安全开采技术湖南省重点实验室，湖南 湘潭市 411201)

针对现有支护方法未能有效解决深部高地应力条件下冲击危险煤巷冲击地压的问题，以及锚杆和锚索耦合支护结构常发生破断失效特征的现场实际情况，采用“锚带网索+锚索梁+槽钢梁配锚索护帮”的防冲锚固控制技术进行了现场试验，巷道表面位移和顶板离层都得到了有效控制，起到了良好的支护和加固作用，具有良好的推广及应用前景。

高地应力；大断面煤巷；冲击地压；防冲锚固控制技术

0 引 言

随着我国煤炭现代机械化开采技术的广泛应用，对大尺寸断面巷道的需求日趋显著[1−2]，而煤巷断面尺寸的加大又会导致巷道围岩的变形增大、矿压显现加剧。尤其在深部高地应力矿井中，对冲击大变形巷道使用锚杆锚索联合支护时，强烈冲击条件下大变形巷道支护要求已远不能被现有的支护结构所满足，锚杆、锚索主要表现为2种破坏形式：锚杆和锚索在巷道围岩变形过程中未能达到协同支护导致两者依次被毁坏；冲击下的锚杆和锚索支护体系都遭到严重损坏。导致巷道顶板冒落，甚至造成巷道整体堵塞的现象频频出现，极大地增加了巷道围岩的支护难度[3−4]。

大量工程实践表明[5−9]，采用高预应力和高强度的锚杆、锚索支护对大断面煤巷围岩的变形破坏具有良好的控制效果。但支护参数及工艺的选取不同，造成锚网索的整体支护效果也不尽相同，不尽合理的支护参数则难以满足控制冲击煤巷围岩的大变形、强冲击等要求，很多学者就此开展了大量的研究。潘一山等[10]针对传统支护理论、方法不能有效解决现有煤巷冲击地压的问题，提出了在冲击地压巷道支护中可提高支护体系的整体刚度和快速吸能让位支护两个不同于传统的支护方法。王平等[11]结合已有支护系统在强冲击大变形巷道中频繁出现的锚杆、锚索破断问题，研究分析了锚杆和锚索耦合支护的协调防冲原理和设计准则，并给出了相对应的实验设计方法。姚精明等[12]在深部冲击地压巷道围岩难以控制的问题上提出了在冲击地压巷道中采用桁架锚索-锚杆联合支护的新方法，并基于抗冲击效果研究了其与普通单体锚索的异同点。金戈等[13]针对永安煤矿某矿压显现煤巷的现场变形规律提出了“锚杆+锚索”的联合支护方式，取得了一定的工程效果。

综上所述，高地应力下大断面煤巷防冲锚固控制技术的关键在于须选用同时具有大变形、高强度、协同支护和防冲击特性的锚杆和锚索等支护体系，基于这种支护理念，本文以某煤矿深部运输平巷为例，提出“锚带网索+锚索梁+槽钢梁配锚索护帮”的加强支护措施。

1 地质及开采条件

以海平面为基准，−810水平地面标高为+43 m，二采区井下标高−920~−891 m，上平巷地面投影为工作面地面塌陷区，走向338°~16°，倾向68°~106°。

可采的3煤层为稳定煤层，煤层倾角2°~8°，本区域煤岩层大致为一走向近南北的宽缓向斜构造。根据物探资料及附近巷道实际揭露，巷道在掘进过程中将先后揭露落差为2 m、落差10.3 m(FD6断层)、落差5 m、落差2 m及落差1.5 m断层，并且局部可能发育隐伏小断层，对掘进影响较大。延展长度983 m，倾向东，倾角70°，落差0~10 m。下平巷掘进及工作面回采过程中均过该断层，预计上平巷掘进过程中将揭露该断层，届时揭煤层下跳，预计落差10.3 m，对掘进影响较大。表1给出了各顶底板的名称及其岩性特性。

2 支护参数设计

2.1 前期矿压监测

矿压观测显示，运输平巷在正常掘进期间的顶板离层量最大值是36 mm，水平位移量最大值是90 mm，垂直位移量的最大值是112 mm；根据实测的矿压数据分析，上平巷在同煤层和不受采动应力影响的情况下，预计在施工过程中巷道变形量与相邻巷道相同，在断层带时，往往造成支护结构的锚固力下降，支护强度也随之减弱。所以，应该提前采取相应的加强支护措施以达到提高巷道支护强度的目的。

表1 顶底板岩性特性

2.2 巷道断面的确定

根据巷道周围岩石的特性、巷道围岩压力以及巷道的服务总年限，巷道断面形式采用矩形断面。为满足运输平巷的运输、行人、通风、管线铺设的众多需要，最终确定矩形巷道断面的尺寸如下：净宽度为4.8 m，净高度为4 m，净断面面积为19.2 m2，开挖断面面积为20.5 m2。

2.3 支护参数的确定

锚杆支护作为一种具有良好支护效果的主动支护措施，其支护阻力也可随围岩变形的增大而不断增加，可与锚固区内的巷道围岩共同作用形成协同支护结构；锚索锚固具有锚固深度大、锚固力大、可施加较大预紧力等一系列优点，同样是加固巷道围岩不可或缺的支护手段；对于破碎岩块的支护，常可采用一些钢带、钢筋托梁、网等构件与锚杆一起配套使用，以加强巷道支护强度(见图1)。

巷道支护形式为“锚带网索+锚索梁”进行顶板支护，并使用槽钢梁配锚索护帮，如图1所示。

(1) 巷道顶板支护。采用6根直径22 mm和长度2500 mm的等强螺纹钢式树脂锚杆、长度4800 mm和眼距900 mm的压W钢带、长宽分别为2700 mm和1100 mm的钢筋网，并在顶板钢带之间打设长度4500 mm和眼距1800 mm的锚索梁，锚索梁间距为2000 mm，锚索则使用直径为21.8 mm，长度为8300~10300 mm的高强鸟巢锚索。

图1 巷道的永久支护断面

打设锚杆和锚索时，中间眼位必须垂直于巷道岩面打设，而肩窝眼位处向两帮部倾斜并与垂直夹角成10°~30°打设。

(2) 巷道帮部支护。进行巷道帮部支护时，采用5根与顶板相同型号的等强螺纹钢式树脂锚杆，配长度为2200 mm或1300 mm和眼距为900 mm的T型钢带，可用长宽分别为1700 mm和1100 mm或2600 mm和1100 mm的压钢筋网支护，两帮打设的顶角锚杆和底角锚杆分别与顶、底板水平面的夹角均为10°~30°。并采用长度3200 mm、间距2000 mm和眼距为1100 mm或1800 mm的压槽钢作为巷道帮部的加强支护。其中，上中下眼打设的锚索直径均为21.8 mm，上、下眼位分别按30°~45°的仰角和30°~45°的俯角打设6300 mm长度的锚索，中间眼位处打设的锚索必须垂直于煤壁，长度4300 mm。

2.4 支护效果

在进行上平巷的掘进施工以及整个支护过程中，主要对巷道围岩的变形过程进行监测。虽然在掘进期间巷道围岩发生位移不可避免，但在此防冲锚固技术的控制下，总的来说巷道没有出现大幅度的变形，并且巷道围岩在掘进期间也未发生明显的破坏，因此，此支护系统对巷道有良好的支护和加固作用。

3 结 语

随着煤炭开采向地下深部发展和煤矿机械化开采的广泛应用，深部施工巷道的尺寸随之增大，发生冲击地压的可能性和危险性也越大，深部大断面巷道更难支护，迫切需要对高地应力条件下大断面巷道提出更加安全可靠的防冲锚固控制技术，提出的“锚带网索+锚索梁和槽钢梁配锚索护帮”加强支护措施，可提高支护系统的整体强度，抑制巷道围岩的大幅变形，达到减少井下巷道施工期间存在的安全隐患的目的，其在该巷道的成功应用为深部地下冲击危险巷道的支护提供了良好的成功范例。

[1] 于 斌.高强度锚杆支护技术及在大断面煤巷中的应用[J].煤炭科学技术,2011,39(8):5−8,18.

[2] 康红普.煤巷锚杆支护成套技术研究与实践[J].岩石力学与工程学报,2005,24(21):3959−3964.

[3] 张 农,王 成,高明仕,等.淮南矿区深部煤巷支护难度分级及控制对策[J].岩石力学与工程学报,2009,28(12):2421−2428.

[4] 王辉凯.冲击地压巷道围岩稳定性分析及控制技术研究[J].采矿技术,2014,14(6):31−32,41.

[5] 何满潮,齐 干,程 骋,等.深部复合顶板煤巷变形破坏机制及耦合支护设计[J].岩石力学与工程学报,2007,26(5):987−993.

[6] 姜耀东,王宏伟,赵毅鑫,等.极软岩回采巷道互补控制支护技术研究[J].岩石力学与工程学报,2009,28(12):2383−2390.

[7] 王 斌,王卫军,赵伏军,等.基于巷道围岩自承特性的锚杆锚固效果研究[J].岩土力学,2014,35(7):1965−1972.

[8] 高明仕,郭春生,李江锋,等.厚层松软复合顶板煤巷梯次支护力学原理及应用[J].中国矿业大学学报,2011,40(3):333−338.

[9] 袁 亮.淮南矿区煤巷稳定性分类及工程对策[J].岩石力学与工程学报,2004(S2):4790−4794.

[10] 潘一山,肖永惠,李忠华,等.冲击地压矿井巷道支护理论研究及应用[J].煤炭学报,2014,39(2):222−228.

[11] 王 平,姜福兴,王存文,等.大变形锚杆索协调防冲支护的理论研究[J].采矿与安全工程学报,2012,29(2):191−196.

[12] 姚精明,王 路,闫永业,等.冲击地压巷道桁架锚索支护原理与实践[J].采矿与安全工程学报,2017,34(3):535−541.

[13] 金 戈,蒲文龙,毕业武.永安Ⅲ号煤层倾斜巷道矿压显现规律与围岩控制[J].采矿技术,2009,9(3):66−67.

国家自然科学基金项目(51674116，51874130).

(2018−11−14)

宁 勇(1993—)，男，湖南邵阳人，硕士研究生，主要从事岩石力学研究，Email：Ningyong_hnust@163.com。

王 斌(1975—)，男，广东梅县人，博士，副教授，主要从事采矿与岩石力学研究，Email: wangbinhnust@sina.com。