耦合让均压支护技术在3412 材料巷的应用

武浩军

（汾西矿业集团贺西煤矿， 山西 柳林 033300）

1 3412 材料巷概况及煤（岩）层赋存特征

3412 材料巷位于贺西煤矿三采区东翼中部，西起于三采4 号皮带巷，东止于4 号煤层不可采区域，南侧为未开掘的4 号实体煤，北侧为3410 工作面（已回采完毕），上部为3310 工作面和3312 工作面采空区，层间距为7～16 m。工作面底板标高+602～+663 m，埋深311.1～522.5 m。

3412 材料巷沿山西组4 号煤层顶板掘进，煤层结构复杂，内生裂隙发育，煤层倾角3°～7°，平均5°,容重1.39 t/m3，煤层厚度1.5~3.2 m，巷道长度为1 406 m，老顶为10.2 m 厚的中粒砂岩，直接顶为1.2 m 厚的砂质泥岩，伪顶为0.6 m 厚的砂质泥岩。

2 3412 材料巷支护设计的关键要点

1）支护强度：由于掘进巷道的支护质量将会经历回采工作面超前支护段超前支承压力的作用，因此巷道的支护效果和支护强度应适应巷道的围岩变形。

2）支护系统的预紧力：锚杆支护效果的好坏取决于锚杆安装时的预紧力，所以科学合理地设计锚杆的预紧力至关重要。尤其是小煤柱沿空掘巷，由于煤体经历一次动压影响后，煤体已经变得破碎，围岩松动圈变大。为了降低顺槽掘进后松动圈的扩展范围和扩展速度，需要提高锚杆、锚索的主动支护效果。

3）支护体的长度：根据类似条件下煤巷顺槽的支护经验，考虑到动压影响的因素，要合理设计锚杆的类型与锚索的长度。

4）让压性和可变形性：通过井下观测，顺槽受工作面动压影响，会发生明显变形。让巷道围岩为可控范围内允许有一定量的变形，使让压后的支护系统起作用。

5）锚固力：由于煤体的节理裂隙非常发育，煤体的强度低，可锚性变差。必须改进锚杆与锚索的支护结构，在不影响现场作用的前提下保证锚固力。

6）表面控制措施：由于煤体比较松软，再加上煤体节理和裂隙发育严重，巷道掘进时会出现滚帮现象。所以需要增强巷道顶板及两帮的支护强度、刚性强度和护表面积，保证巷道变形时的需要。

3 3412 材料巷耦合让均压支护试验方案

3.1 顶板锚杆参数

顶板采用高强度让均压锚杆支护，锚杆采用Q500 MPa 矿用高强螺纹钢，直径为20 mm，长度为2.4 m，支护间排距均为1 m，托盘采用0.15 m×0.15 m×0.08 m 的高强球形托盘，采用CK2335 与CK2350 的锚固剂各一支，煤体表面支护采用W 钢带和菱形网进行，让均压装置采用12~15 t 单泡应力显示让均压管，安装扭矩不小于200 N·m，让均压锚杆装配图如图1 所示。

图1 让均压锚杆装配图

3.2 帮部锚杆参数

巷帮采用高强度蛇形让均压锚杆支护，锚杆采用Q500 MPa 矿用高强螺纹钢，直径为18 mm、长度为1.8 m，支护间排距均为1 m，托盘采用0.15 m×0.15 m×0.08 m 的高强度球形托盘，采用CK2335 与CK2350 的锚固剂各一支，煤体表面采用钢带托盘和菱形网进行支护，让均压装置采用单泡应力显示让均压管，安装扭矩不小于150 N·m，联合托盘装配图如下页图2 所示。

图2 联合托盘装配图

锚杆的锚固端为蛇形结构，蛇形外径为26～28 mm，蛇形锚杆示意图如下页图3 所示。

图3 蛇形锚杆示意图

3.3 锚索参数

锚索为Φ18.9 mm×6 300 mm 的鸟窝让均压锚索，配合使用0.3 m×0.3 m×0.012 m 的高强球形托盘与锚具、让均压管，三花型布置，锚索间排距为2.6 m×1 m，配合使用两支CK2350 型锚固剂。鸟窝数量5 个，鸟窝外侧直径为26~28 mm，鸟窝让均压锚索结构如图4 所示，W 钢带示意图如图5 所示，支护平剖面图如图6 所示。

图4 鸟窝让均压锚索结构图

图5 W 钢带示意图

图6 耦合让均压段顶、帮部支护平、剖面图（单位：mm）

4 让均压锚杆支护使用效果分析

通过对3412 材料巷让均压锚杆支护段掘进期间巷道支护效果进行分析可以发现，在降低成本同时又提高巷道掘进速度的前提下，巷道整体情况良好，满足了矿井工作面安全生产的需要。在井下试验过程中，通过对锚杆锚索支护系统的分析，可以得出如下结论：

1）运用耦合让均压支护理念对巷道支护方案优化设计后，扭矩与安装应力转化比较强，相比原支护方案巷道围岩表面位移得到有效控制。普通锚杆由于加工工艺与材质本身特性，扭矩转化为安装应力的效率值较低，让均压锚杆由于材料本身特殊及加工工艺的特殊要求，能够使扭矩较高的转化为安装应力。让均压锚杆在同样200 N·m 的扭矩下，能转化为5 t 左右的安装应力，而普通锚杆只有3 t 左右的安装应力。

2）采用耦合让均压支护系统后，在巷道允许一定变形的情况下，巷道支护效果整体良好。普通锚杆与锚索两者间的变形耦合和载荷耦合都相对比较差，起不到共同支护的效果。耦合让均压锚杆、鸟窝锚索能够相互耦合互相协调，共同支护围岩体。

3）采用蛇形锚杆、鸟窝锚索支护后，锚杆锚固力均能达到设计要求。为了更好地解决锚杆、锚索“三径匹配”，对锚杆的尾部做了蛇形处理，锚索做了鸟窝形状的处理，更好地满足了锚固力的要求。锚杆、锚索可以有效锚固，解决了锚杆、锚索锚固力不稳定的问题。同时也实现了高强度锚杆恒久支护的作用。

4）采用耦合让均压支护系统后，降低了锚索直径、锚杆直径和长度，实现巷道的一次支护成功，降低了投资成本，提高了巷道施工速度，降低了工人的劳动强度。

5）通过提高锚杆的间排距和优化施工工艺及施工机具，实现了巷道安全快速掘进的目标，提高了掘进工效，保证了巷道的安全施工。

6）操作性强。去掉了原有支护使用的钢筋圈梁，特别是帮部施工时，由于煤层的突然变化，钢筋圈梁在使用过程中可能造成锚杆间距影响，使钢筋圈梁不能很好地发挥其作用。新支护技术使用的W 钢护板是单独的，适用性较钢筋圈梁更灵活方便。

7）现场情况，通过和3410 工作面两巷的矿压显现情况对比可以明显看出，在使用耦合让均压支护设计后，巷道的整体顶板下沉量和两帮的移近量明显降低，锚杆和锚索的让均压环变形作用明显增强了锚杆锚索的作用效果，导致巷道锚杆支护出现因断裂而出现失效的状况和概率明显减低，断裂数量由原有的16%下降到了现有的3%，确保了巷道的安全和稳定。

8）通过这种支护，因为巷道的变形量不大，所以对巷道后期的整体维护量也明显减少，降低了巷道的维修成本。

9）矿压的变化分析。在原有的支护材料和参数情况下可以明显发现，在这种支护下，压力变化更加均衡，不会出现强烈的数值突然升高或降低。由此说明，该支护材料对顶板支护的均衡性和稳定性较强[1-2]。

5 优化改进和推广应用

5.1 存在问题和优化改进

让均压锚杆支护系统在贺西煤矿掘进巷道的应用是非常成功的，可有效对临近采空区巷道完好支护，确保了巷道的整体安全和性能，然而，仍有一些问题需要解决处理：

1）对断层区域及成形相对比较差的巷道进行围岩支护研究，找出专门的支护措施，断层区域的巷道应力相对集中，同时断层面的支护要求要将上下盘能平均应力分布，保证巷道在地质变化处的整体安全性能。

2）需要进一步优化巷道围岩支护系统。对目前的矿压观测数据进行分析，对支护参数进行调整、优化，使其更加完善。尤其是煤层变薄的区域，帮部锚杆的数量是否可以变为两根。通过对托盘的设计和让均压效果的再分析，实现低密度的耦合让均压支护。

3）建议对鸟窝锚索的外径和蛇形锚杆的外径大小进一步研究，适当减小最大外径。

5.2 推广和应用

让均压锚杆在3412 材料巷的成功应用，提高了汾西矿业集团贺西煤矿的支护技术水平，为在临近采空区巷道支护提供了更加有力的巷道支护理论和支护方案，同时也通过该支护形式为矿井的支护提高了汾西矿业集团贺西煤矿其他工程的开展效率。下一步汾西矿业集团贺西煤矿将在所有临近采空区的巷道内采用该种支护，以保证相同状况巷道的安全，将更加注重支护的矿压观测情况，为该种支护的推广和发展提供更加有力的证据和理论基础，保证该种支护的顺利推广和发展，为顶板的安全支护作出铺垫。