双巷掘进大断面巷道留巷中锚网索耦合及中隔墙支护技术应用与研究

房 帅，刘 洋，刘忠平

(1.山西晋煤集团 沁秀煤业有限公司，山西 晋城 048006；2.陕西开拓建筑科技有限公司，陕西 西安 710054)

近年来，为解决煤炭资源紧张问题，很多专家提出了无煤柱开采技术。无煤柱开采技术是在井下开采过程中不留设保护煤柱，而采取其他方式支护、维护巷道的技术[1]。岳城煤矿在无煤柱开采技术的基础上实施了双巷掘进中隔墙无煤柱开采技术，但是普通的锚网索支护不能满足双巷掘进过程中产生的大断面巷道支护的需要，巷道断面很难维护，从而对工作面的正常生产产生了消极影响。国内学者为解决大断面巷道支护问题展开了一系列的研究，如通过计算塑性区范围[2-3]、松动圈[4-6]或者数值模拟[7-9]等方法来确定巷道的支护参数，从而在相应地质条件下有效控制了巷道的变形，为大断面巷道的安全施工和工作面顺利回采提供了可靠的依据。以晋煤集团岳城煤矿2301工作面双巷掘进施工过程中产生的大断面巷道作为工程背景，并且结合2301工作面地质条件及煤层顶底板情况，确定了23011双巷掘进大断面巷道的支护对象，并在此支护基础上分析了23011大断面巷道的力学状态，提出分次开掘的施工方案和高强锚杆+钢筋托梁+锚索+钢带+双层金属网相耦合及浇筑隔离墙的联合支护方案。

1 工程概况

岳城煤矿井田面积为13.806 km2，可采煤层为3号、9号、15号煤层，现采3号煤层，该煤层多呈阶梯状断口，具有似金属光泽，以亮煤为主，颜色为黑色，倾角为0.6～4°，平均倾角为3°，是优质无烟煤；煤体破坏类型为Ⅱ类煤，煤层普氏硬度系数f=1.3～2，平均厚度6.13 m，核定生产能力150万t/a，高瓦斯矿井。2301工作面工程平面如图1所示。

图1 2301工作面试验段工程平面

23011巷道顶板直接顶为砂质泥岩，灰黑色，厚度1.80～6.80 m，平均厚度3.39 m；单向抗压强度为83.7 MPa，单向抗拉强度为2.49 MPa，普氏硬度系数f=8.5；巷道的直接底为泥岩，黑色，厚度0～3.14 m，平均厚度1.06 m；细粒砂岩，灰黑色，厚度1.35～2.95 m，平均厚度2.28 m，单向抗压强度为67.4 MPa，单向抗拉强度为1.57 MPa，普氏硬度系数f=6.9。

2 支护对象

锚杆(索)支护中支护体与巷道围岩在实质上是相互作用的，锚杆(索)通过发挥其对围岩的径向与切向支护抗力来限制锚杆(索)作用范围内围岩的剪切变形和离层、滑移等破坏，以实现保持围岩完整性并形成预应力承载结构的目的[10-11]。因此，巷道开掘后产生在巷道周围岩层内发生塑性形变的煤岩体，即巷道的松动圈就是锚杆索的支护对象。

同时利用柔模泵注混凝土技术，即使用一种横斜双拉纤维柔性模板，该模板由外部加筋纤维布和内部拉筋组成，为封闭的三维纺织结构，外形与支护体相同，是支护体的预成型体，使用此柔性模板快速浇筑连续混凝土隔离墙。利用此技术柔模透水不透浆的特性和泵压强制接顶，主动支撑顶板，构筑成隔离墙密闭采空区。

3 施工方案

一般情况下，大多中小型松动圈可以利用悬吊理论，采用锚杆进行有效控制，但对于双巷掘进施工过程中产生的9.8 m大断面巷道而言，就不能利用组合梁理论或加固拱理论、减跨理论、悬吊理论等单一的理论来解决掘进中形成的大松动圈支护问题，而应形成一种由多种理论组合且能对双巷掘进大断面巷道提供有效支护的支护理论。

针对2301工作面双巷掘进施工中形成的大断面巷道的实际情况，笔者提出了类减跨理论的双巷掘进分次施工的施工方案和加固拱理论与悬吊理论相结合的锚杆(索)耦合及中间浇筑隔离墙的支护方案。实施过程主要包括以下四个步骤：

第一步：在23011巷煤柱帮一次扩巷，扩巷宽度3 000 mm，高度3 000 mm，扩帮段顶板采用树脂加长锚固高强锚杆+钢筋托梁+锚索+钢带+双层金属网，扩帮段煤帮采用玻璃钢锚杆配合塑料网支护。

第二步：浇筑钢筋混凝土条形基础，基础宽度2 000 mm，基础埋置深度800 mm。

第三步：浇筑柔模混凝土隔离墙，墙体宽度1 400 mm。

第四步：二次扩巷，扩巷宽度2 600 mm。二次扩帮段顶板采用树脂加长锚固高强锚杆+锚索+钢筋托梁+双层金属网联合支护，扩帮段煤帮采用高强锚杆+钢筋托梁+双层金属网联合支护。

4 隔离墙支护参数

在扩巷区浇筑横斜双拉纤维柔性模板混凝土隔离墙，墙体宽度1 400 mm，墙体一侧与23011巷原煤柱帮平齐，另一侧距离一次扩巷后新煤帮1 600 mm。

构筑隔离墙使用能满足自密实、快硬、早强、高强等要求的矿用高性能混凝土。混凝土配比见表1。

表1 1 m3C40混凝土配合比

在地面搅拌站将砂子、石子、外加剂按照配合比搅拌均匀后，使用矿车运输至井下混凝土制备输送站储料场；将搅拌好的干物料与水泥按照比例输送至机组搅拌机内加水搅拌均匀，利用混凝土输送泵将高性能混凝土泵送至柔模内。

由于混凝土墙宽为1.4 m，厚度大于1 m，因此属于大体积混凝土。大体积混凝土水化发热量大，混凝土浇筑成型后7 d内必须每班安排专人对墙体进行洒水、降温和养护。

5 锚网索耦合支护参数

5.1 扩巷断面初始参数及扩巷设计

根据掘进设备工作要求及沿空巷道掘进要求，设计沿顶留底煤扩帮，巷道设计为矩形断面，23011巷施工选用锚梁网索钢带支护，采用分次扩巷施工，其中原巷道宽4 200 mm，一次扩巷宽度3 000 mm，高度3 000 mm；二次扩巷宽度2 600 mm，高度3 000 mm，最终扩巷完巷道总宽度为9 800 mm，高度为3 000 mm。

5.2 锚网索耦合支护参数

5.2.1 23011巷帮顶破坏深度的确定

利用自然平衡拱理论计算巷道掘进后围岩破坏深度，从而确定23011巷帮顶围岩松动圈的范围，具体计算过程如下：

式中：C为煤帮最大破坏深度，m；Kc为采掘工程扰动系数，1.5；γ为上覆岩层平均重力密度，25 kN/m3；H为巷道埋深，平均423 m；fc为煤层普氏硬度系数，1.3；h为巷道矩形断面内煤夹层的厚度，3.0 m；φ为煤体内摩擦角，30°。

由以上计算得出C≈0.38 m。

(2)

式中：b为巷道掘进后顶板最大破坏深度，m；C为煤帮最大破坏深度，0.38 m；fn为锚固岩层的硬度系数，取8.5；a为巷道的半跨距，4.9 m；α为煤层倾角，3°；ky为锚固岩层的稳定性系数，属一般完整，取0.85。

由以上计算得出b=0.73 m。

5.2.2 锚杆支护参数计算

由对围岩破坏深度的计算可知,该巷道的松动圈极大，因此可以利用加固拱理论对巷道松动圈进行支护，按挤压加固拱理论计算锚杆支护参数如下：

b1·tanα1=(L杆·tanα1)-D

(3)

式中：b1为加固拱厚度，m；L杆为锚杆的有效长度，m；α1为锚杆在松散煤体中的控制角，45°；D为锚杆的间距。

按照公式(3)计算，锚杆长度选取2.4 m(有效长度2.3 m)，间距0.9 m，则加固拱厚度在1.4 m。23011双巷掘进大断面巷道锚杆选用D22 mm、长2.4 m的锚杆，顶板锚杆间排距为0.9 m×1 m。

5.2.3 锚索支护参数计算

1) 计算顶板锚索长度L：

L=La+Lb+Lc+Ld

式中：La为锚索伸入到较稳定岩层的锚固长度，0.5 m；Lb为顶板到稳定岩层最大深度，8.5 m；Lc为上托盘及锚具的厚度，取0.1 m；Ld为需要外露的张拉长度，取0.2 m；计算得出锚索长度L=9.3 m。

2) 计算顶板锚索密度：

N≥KQd/P

式中：P为D21.8 mm锚索的破断力，582 kN；Qd为顶板岩层压力，按顶板松动圈内岩石重度计算，取178.85 kN；K为安全系数，取2。

由以上计算得出23011双巷掘进期间锚索的打设密度N≥0.61。为确保施工安全，23011一次扩巷施工期间，锚索按照“333”的形式打设，间排距为1 200 mm×1 000 mm。

5.3 一次扩巷支护方案

5.3.1 一次扩巷锚杆支护方案

锚杆规格：杆体为超强热处理左旋无纵肋螺纹钢筋，钢材为BHRB400号锚杆专用钢，杆体直径22 mm，长度2.4 m，延伸率不低于20%；杆尾螺纹公称直径为M24，长度120 mm。

锚固方式：树脂加长锚固，采用两支树脂锚固剂，1支规格为MSK2335，1支规格为MSZ2360，锚固长度1 300 mm。

锚杆布置：每排布置4根锚杆，锚杆间距900 mm，排距1 000 mm，均垂直顶板布置。每排锚杆与原巷道锚杆错距200 mm。

5.3.2 一次扩巷锚索支护方案

锚索型号：索体为D21.8 mm、1×19股高强度低松弛预应力钢绞线，延伸率不小于7%，破断荷载582 kN，锚索长度9 300 mm。

锚索布置：巷旁每排布置3根锚索，第一根布置于23011巷距离煤柱帮500 mm位置处，第二根和第三根布置于扩巷内，锚索间排距为1 200 mm×1 000 mm。

锚索角度：全部垂直于顶板煤岩面打设。

锚固方式：每根锚索采用4支树脂锚固剂加长锚固，先安装1支MSK2335型锚固剂，再安装3支MSZ2360型锚固剂。23011巷一次扩巷支护如图2所示。

图2 23011巷一次扩巷支护示意(mm)

5.4 二次扩巷支护方案

5.4.1 二次扩巷锚杆支护方案

锚杆规格：杆体为超强热处理左旋无纵肋螺纹钢筋，钢材为BHRB400号锚杆专用钢，杆体直径22 mm，长度2.4 m，延伸率不低于20%；杆尾螺纹公称直径为M24，长度120 mm。

锚固方式：树脂加长锚固，采用两支树脂锚固剂，1支规格为MSK2335，1支规格为MSZ2360，锚杆钻杆为B19钻杆，双翼钻头，钻头直径30 mm，锚固长度1 300 mm。

锚杆布置：每排布置3根锚杆，锚杆间距900 mm，排距1 000 mm，除顶角锚杆外偏10°安设外，其余锚杆均垂直顶板布置。每排锚杆与第一次扩帮段锚杆布置在一排上。

5.4.2 二次扩巷锚索支护方案

锚索型号：索体为D21.8 mm、1×19股高强度低松弛预应力钢绞线，延伸率不小于7%，破断荷载582 kN，锚索长度9 300 mm。

锚索布置：巷内每排布置2根锚索，第一根锚索距离煤柱帮1 300 mm处布置，锚索间排距为1 200 mm×2 000 mm。

锚索角度：全部垂直于顶板煤岩面打设。

锚固方式：每根锚索采用4支树脂锚固剂加长锚固，先安装1支MSK2335型锚固剂，再安装3支MSZ2360型锚固剂。

5.4.3 锚索及锚杆组合支护构件选型及参数确定

一次扩巷采用三孔W钢带将巷旁3根锚索组合为一体，W钢带型号为WD300-5-2800。W钢带限位孔间距1 200 mm，孔径60 mm×40 mm，两端各富余200 mm。

一次二次扩巷顶部要求采用整条钢筋梯子梁组合锚杆钢筋梯子梁，钢筋梯子梁由两根D14 mm的Q235圆钢焊接而成，宽度80 mm，长度5 600 mm。煤帮采用两根D14 mm的Q235圆钢焊接而成宽度80 mm、长度2 600 mm的整条钢筋梯子梁。

圆形托盘尺寸要求不小于150 mm×150 mm，高度不低于36 mm，厚度不小于10 mm，除设计有角度的锚杆使用圆形异形托盘外，其它均使用常规托盘。

采用双层菱形金属网护顶，材料为10号铅丝，网孔边长50 mm，网片规格4 200 mm×1 100 mm，每隔300～500 mm采用16号铅丝将两层网连为一体。两两相邻网片采用16号铅丝联接，双丝双扣，隔孔相连，网片搭接宽度不小于100 mm。23011巷整体支护如图3所示。

图3 23011巷整体支护(mm)

6 支护效果分析

岳城煤矿双巷掘进中隔墙无煤柱开采方案中，为检验双巷掘进施工中大断面巷道锚网索支护技术的支护效果，在新扩掘巷道中布置4个矿压监测站，分别在试验段开始25 m、75 m、125 m、175 m处布置。

每个测站装有顶板离层量、锚杆、锚索测力计，掌握工作面回采后与扩掘巷过程中沿空巷道顶板，两帮和墙体的锚杆、锚索工作阻力的变化规律，揭示顶板岩层活动规律。柔模砼墙体压力测试仪掌握巷旁支护的压力分布规律及压力峰值，为进一步优化和设计支护提供依据。

同时采用十字监测法监测围岩收敛变形，监测内容包括超前工作面巷道位移和留巷巷道位移两部分。通过后期对矿压监测站矿压数据的收集，23011大断面巷道的顶板离层值最小为30 mm，最大为75 mm，巷表位移量最大为63 mm。这表明23011留巷段所采用的高强锚杆+钢筋托梁+锚索+钢带+双层金属网相耦合及浇筑隔离墙的联合支护技术不仅有效解决了大断面巷道的围岩控制难题以及留巷后巷道变形量大的问题，还为留巷段的复用打下了坚实的基础。矿压监测站布置如图4所示。

图4 23011巷矿压测站布置

7 结 语

本文根据晋煤集团岳城煤矿的地质条件，在2301工作面实施了双巷掘进大断面巷道留巷中锚网索耦合及中隔墙支护技术，并且取得了较好的效果。根据最终留巷实际情况，23011巷采用锚网索耦合及中隔墙支护技术后，不但解决了双巷掘进过程中产生的大断面巷道断面大、支护困难问题，而且有效控制了留巷后的巷道变形量，留巷后顶板下沉量低，巷道基本满足使用要求，从而为后续联合工作面的安全回采打下了坚实的基础，并且从中积累了大量技术经验，可以在其他矿井推广应用。

使用双巷掘进大断面巷道留巷中锚网索耦合及中隔墙支护技术之后，提高了煤炭的采出率和巷道的掘进效率，同时避免了井下煤柱的应力集中，最终增加了煤矿的年产量和经济效益。