高地應力下大斷面煤巷防沖錨固控制技術*

寧 勇，王 斌, 2, 3，馮 濤，郭澤洋

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高地應力下大斷面煤巷防沖錨固控制技術*

寧 勇1，王 斌1, 2, 3，馮 濤1，郭澤洋1

(1.湖南科技大學 資源環境與安全工程學院，湖南 湘潭市 411201；2.湖南科技大學 南方煤礦瓦斯與頂板災害預防控制安全生產重點實驗室，湖南 湘潭市 411201；3.湖南科技大學 煤礦安全開采技術湖南省重點實驗室，湖南 湘潭市 411201)

針對現有支護方法未能有效解決深部高地應力條件下沖擊危險煤巷沖擊地壓的問題，以及錨桿和錨索耦合支護結構常發生破斷失效特征的現場實際情況，采用“錨帶網索+錨索梁+槽鋼梁配錨索護幫”的防沖錨固控制技術進行了現場試驗，巷道表面位移和頂板離層都得到了有效控制，起到了良好的支護和加固作用，具有良好的推廣及應用前景。

高地應力；大斷面煤巷；沖擊地壓；防沖錨固控制技術

0 引 言

隨著我國煤炭現代機械化開采技術的廣泛應用，對大尺寸斷面巷道的需求日趨顯著[1?2]，而煤巷斷面尺寸的加大又會導致巷道圍巖的變形增大、礦壓顯現加劇。尤其在深部高地應力礦井中，對沖擊大變形巷道使用錨桿錨索聯合支護時，強烈沖擊條件下大變形巷道支護要求已遠不能被現有的支護結構所滿足，錨桿、錨索主要表現為2種破壞形式：錨桿和錨索在巷道圍巖變形過程中未能達到協同支護導致兩者依次被毀壞；沖擊下的錨桿和錨索支護體系都遭到嚴重損壞。導致巷道頂板冒落，甚至造成巷道整體堵塞的現象頻頻出現，極大地增加了巷道圍巖的支護難度[3?4]。

大量工程實踐表明[5?9]，采用高預應力和高強度的錨桿、錨索支護對大斷面煤巷圍巖的變形破壞具有良好的控制效果。但支護參數及工藝的選取不同，造成錨網索的整體支護效果也不盡相同，不盡合理的支護參數則難以滿足控制沖擊煤巷圍巖的大變形、強沖擊等要求，很多學者就此開展了大量的研究。潘一山等[10]針對傳統支護理論、方法不能有效解決現有煤巷沖擊地壓的問題，提出了在沖擊地壓巷道支護中可提高支護體系的整體剛度和快速吸能讓位支護兩個不同于傳統的支護方法。王平等[11]結合已有支護系統在強沖擊大變形巷道中頻繁出現的錨桿、錨索破斷問題，研究分析了錨桿和錨索耦合支護的協調防沖原理和設計準則，并給出了相對應的實驗設計方法。姚精明等[12]在深部沖擊地壓巷道圍巖難以控制的問題上提出了在沖擊地壓巷道中采用桁架錨索-錨桿聯合支護的新方法，并基于抗沖擊效果研究了其與普通單體錨索的異同點。金戈等[13]針對永安煤礦某礦壓顯現煤巷的現場變形規律提出了“錨桿+錨索”的聯合支護方式，取得了一定的工程效果。

綜上所述，高地應力下大斷面煤巷防沖錨固控制技術的關鍵在于須選用同時具有大變形、高強度、協同支護和防沖擊特性的錨桿和錨索等支護體系，基于這種支護理念，本文以某煤礦深部運輸平巷為例，提出“錨帶網索+錨索梁+槽鋼梁配錨索護幫”的加強支護措施。

1 地質及開采條件

以海平面為基準，?810水平地面標高為+43 m，二采區井下標高?920~?891 m，上平巷地面投影為工作面地面塌陷區，走向338°~16°，傾向68°~106°。

可采的3煤層為穩定煤層，煤層傾角2°~8°，本區域煤巖層大致為一走向近南北的寬緩向斜構造。根據物探資料及附近巷道實際揭露，巷道在掘進過程中將先后揭露落差為2 m、落差10.3 m(FD6斷層)、落差5 m、落差2 m及落差1.5 m斷層，并且局部可能發育隱伏小斷層，對掘進影響較大。延展長度983 m，傾向東，傾角70°，落差0~10 m。下平巷掘進及工作面回采過程中均過該斷層，預計上平巷掘進過程中將揭露該斷層，屆時揭煤層下跳，預計落差10.3 m，對掘進影響較大。表1給出了各頂底板的名稱及其巖性特性。

2 支護參數設計

2.1 前期礦壓監測

礦壓觀測顯示，運輸平巷在正常掘進期間的頂板離層量最大值是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；根據實測的礦壓數據分析，上平巷在同煤層和不受采動應力影響的情況下，預計在施工過程中巷道變形量與相鄰巷道相同，在斷層帶時，往往造成支護結構的錨固力下降，支護強度也隨之減弱。所以，應該提前采取相應的加強支護措施以達到提高巷道支護強度的目的。

表1 頂底板巖性特性

2.2 巷道斷面的確定

根據巷道周圍巖石的特性、巷道圍巖壓力以及巷道的服務總年限，巷道斷面形式采用矩形斷面。為滿足運輸平巷的運輸、行人、通風、管線鋪設的眾多需要，最終確定矩形巷道斷面的尺寸如下：凈寬度為4.8 m，凈高度為4 m，凈斷面面積為19.2 m2，開挖斷面面積為20.5 m2。

2.3 支護參數的確定

錨桿支護作為一種具有良好支護效果的主動支護措施，其支護阻力也可隨圍巖變形的增大而不斷增加，可與錨固區內的巷道圍巖共同作用形成協同支護結構；錨索錨固具有錨固深度大、錨固力大、可施加較大預緊力等一系列優點，同樣是加固巷道圍巖不可或缺的支護手段；對于破碎巖塊的支護，常可采用一些鋼帶、鋼筋托梁、網等構件與錨桿一起配套使用，以加強巷道支護強度(見圖1)。

巷道支護形式為“錨帶網索+錨索梁”進行頂板支護，并使用槽鋼梁配錨索護幫，如圖1所示。

(1) 巷道頂板支護。采用6根直徑22 mm和長度2500 mm的等強螺紋鋼式樹脂錨桿、長度4800 mm和眼距900 mm的壓W鋼帶、長寬分別為2700 mm和1100 mm的鋼筋網，并在頂板鋼帶之間打設長度4500 mm和眼距1800 mm的錨索梁，錨索梁間距為2000 mm，錨索則使用直徑為21.8 mm，長度為8300~10300 mm的高強鳥巢錨索。

圖1 巷道的永久支護斷面

打設錨桿和錨索時，中間眼位必須垂直于巷道巖面打設，而肩窩眼位處向兩幫部傾斜并與垂直夾角成10°~30°打設。

(2) 巷道幫部支護。進行巷道幫部支護時，采用5根與頂板相同型號的等強螺紋鋼式樹脂錨桿，配長度為2200 mm或1300 mm和眼距為900 mm的T型鋼帶，可用長寬分別為1700 mm和1100 mm或2600 mm和1100 mm的壓鋼筋網支護，兩幫打設的頂角錨桿和底角錨桿分別與頂、底板水平面的夾角均為10°~30°。并采用長度3200 mm、間距2000 mm和眼距為1100 mm或1800 mm的壓槽鋼作為巷道幫部的加強支護。其中，上中下眼打設的錨索直徑均為21.8 mm，上、下眼位分別按30°~45°的仰角和30°~45°的俯角打設6300 mm長度的錨索，中間眼位處打設的錨索必須垂直于煤壁，長度4300 mm。

2.4 支護效果

在進行上平巷的掘進施工以及整個支護過程中，主要對巷道圍巖的變形過程進行監測。雖然在掘進期間巷道圍巖發生位移不可避免，但在此防沖錨固技術的控制下，總的來說巷道沒有出現大幅度的變形，并且巷道圍巖在掘進期間也未發生明顯的破壞，因此，此支護系統對巷道有良好的支護和加固作用。

3 結 語

隨著煤炭開采向地下深部發展和煤礦機械化開采的廣泛應用，深部施工巷道的尺寸隨之增大，發生沖擊地壓的可能性和危險性也越大，深部大斷面巷道更難支護，迫切需要對高地應力條件下大斷面巷道提出更加安全可靠的防沖錨固控制技術，提出的“錨帶網索+錨索梁和槽鋼梁配錨索護幫”加強支護措施，可提高支護系統的整體強度，抑制巷道圍巖的大幅變形，達到減少井下巷道施工期間存在的安全隱患的目的，其在該巷道的成功應用為深部地下沖擊危險巷道的支護提供了良好的成功范例。

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國家自然科學基金項目(51674116，51874130).

(2018?11?14)

寧 勇(1993—)，男，湖南邵陽人，碩士研究生，主要從事巖石力學研究，Email：Ningyong_hnust@163.com。

王 斌(1975—)，男，廣東梅縣人，博士，副教授，主要從事采礦與巖石力學研究，Email: wangbinhnust@sina.com。