深井薄基巖區域高預應力錨網支護技術研究

余 飛 毛 東 李伯樂

（焦作煤業集團趙固（新鄉）能源有限責任公司，河南 輝縣453634）

趙固一礦位于焦作煤田東部、太行山南麓。礦井西南距焦作市50km，東南距新鄉市39km，東北至輝縣市17km，行政區域隸屬河南省新鄉市輝縣市。井田含煤面積43.77km2，總資源儲量3.73 億t,可采儲量1.65 億t。礦井于2009 年5 月正式投產，設計生產能力240 萬噸，2015 年核定生產能力為300 萬噸。

趙固一礦主采煤層為二1 煤，煤層埋深641.2～643.1m，上覆第四系和新近系松散地層厚度為450.5～514.3m，平均482.4m；根據《河南省焦作煤田趙固一礦井田勘探報告》以及現場實際揭露的地質、水文情況，頂板基巖厚度25.5～115.7m，平均44.81m，基巖厚度較薄。礦井屬低瓦斯礦井，煤層為Ⅲ類不易自燃煤層，煤塵無爆炸危險性，水文地質類型極復雜。

1 工程概況

1.1 巷道位置及煤層情況

巷道位置及四鄰采掘情況：16021 工作面上順槽位于礦井西北翼，所屬西六盤區，布置于二1 煤層，煤層厚度7.15～6.34m，平均為6.69m，煤（巖）層賦存穩定，產狀為S30～50°W∠3°～7°，煤層結構簡單。16021 工作面上順槽西為已回采結束的16011 工作面，東為16031 工作面（未掘進），南為16021 工作面聯絡巷、北翼三條大巷和F25斷層尖滅端。

1.2 工作面地質條件

根據已回采16011 工作面、已掘進16021 工作面聯絡巷頂板基巖實際勘查、礦井三維地震及地面勘探鉆孔顯示：16021 工作面上順槽二1 煤層上覆第四系、新近系巨厚松散地層，厚度450.5～504.3m，平均厚度477.4m。根據實際勘探及地質資料，預計該巷道頂板巖性為極易風化的泥巖，基巖厚度為36.2～41.2m，平均厚度37.5m。

頂底板地質情況：偽頂為泥巖，厚度0～3.5m，平均厚度1.3m；直接頂為砂質泥巖，厚度2.0～7.6m，平均厚度4.3m；老頂為中粒砂巖，厚度4.9～18.6m，平均厚度11.9m。直接底為泥巖、砂質泥巖，厚度14.2～16.2m，平均厚度15m；老底為L9灰巖，厚度1.3～1.8m，平均厚度1.5m。

2 支護設計

2.1 支護設計理論選擇

礦井通過多年的生產實踐，形成了以錨桿、錨索支護為主、多種支護方式共存的巷道支護局面。但受深部開采、厚松散層地層及薄基巖擾動影響，圍巖應力場復雜，地應力高。在深井高地應力的作用下，巷道圍巖體發生根本變化，圍巖蠕變明顯，擴容現象顯現突出，表現為圍巖內部節理、裂隙緩慢張開，新裂紋的產生導致圍巖體積增大，擴容膨脹。煤巖體的沖擊性表現劇烈，具有突然性，不是逐漸變化的。巷道收縮變形明顯，存在前掘后修局面，嚴重制約安全生產。

目前國內深部巷道圍巖控制理論主要有馮豫等提出的“聯合支護理論”；孫曉明等提出的“巷道耦合支護技術”；康紅普等提出的“高預緊力、強力支護理論和支護系統”；牛雙建等提出的“初期主動柔性支護、中期剛柔耦合動態加固技術”等，均在不同地質條件下實現了深井錨網巷道圍巖的有效控制，并為本次工程設計提供理論借鑒。

本文結合趙固一礦厚松散層地層、薄基巖等復雜地質條件，根據礦井實際測定的巷道圍巖地質力學參數，分析高地壓巷道圍巖變形與破壞機理，支護系統控制圍巖變形的作用。依據高預緊力、強力支護理論和支護體系的基礎上，在原有巷道支護設計上進行優化。著重提高支護系統的初期支護剛度與強度,保持圍巖的完整性,減少圍巖強度的降低，達到減小兩幫移進和底鼓，避免二次返修、擴刷，并應用于工程實踐。高預應力、強力支護理論要點如下:

a.高預應力一次性支護。巷道圍巖變形主要為不連續變形和連續變形，不連續變形表現為結構面離層、滑動、裂隙擴容等；連續變形表現為巷道圍巖的彈性變形、錨桿（索）錨固區的整體變形等。由于煤巖體結構面的強度一般比較低,因而巷道開口掘進后,圍巖結構面的不連續變形先于連續變形。因此大幅度提高錨網支護的初期預應力參數、強度，能夠有效控制巷道圍巖變形離層，達到一次支護到位,最大限度地保持圍巖完整性,保障圍巖的穩定性。

b.高預應力的擴散原則。錨網支護體系中預應力支護主要用于控制錨固區圍巖的離層、裂隙等變形、擴容。使巷道煤巖體處于受壓狀態,抑制圍巖拉伸、剪切及彎曲變形的出現,使圍巖成為承載的主要受力體。圍巖控制的時機是決定主動支護還是被動支護的參數。選用匹配的支護構件，能夠實現高預應力的擴散性和及時性，擴大高預應力的作用范圍，提高錨網支護的整體強度及完整性，最大限度地發揮整體支護作用。

根據以上支護理論原則，選擇相互匹配的支護構件，升級錨桿（索）體、張拉機具及配套的拱形高強托板和W鋼護板，使得錨桿預緊扭矩由原有200N·m 提高至300N·m，錨索預緊力由原有200kN提高至300kN。

2.2 支護參數

根據高預應力支護設計原則，采用錨網支護，具體支護設計參數如下：16021 工作面上順槽設計全長1150m，巷道為矩形斷面，寬度5200mm、高度3900mm，凈斷面積20.28m2。

圖1 巷道斷面支護圖

圖2 5m 及650m 觀測站變化圖

頂板采用錨網支護，錨桿采用MSGLW-500 型無縱筋左旋螺紋鋼高強錨桿，規格φ20×2400mm，間排距800×800mm，每排7根(其中兩肩窩為φ17.8×4200mm 錨索，其余5 根為錨桿)，中間5根錨桿垂直于頂板打設，兩肩窩錨索外扎10°打設。錨桿螺母為M20 高強度螺母，配合使用減摩尼龍墊圈、高強拱形托板及可調節球型導向墊，高強拱形托板規格150×150×10mm，拱高不低于36mm，托盤承載能力不低于210kN。同時采用配套W鋼護板，規格450×280×5mm，勒高不低于25mm。每根高強錨桿使用2 支Z2350 型樹脂錨固劑錨固，扭矩不低于300N·m，錨固力不低于150kN，螺母外露長度10～50mm。每根錨索使用3 支Z2350 型樹脂錨固劑錨固，預緊力不低于200kN，錨索外露長度150～250mm。

除錨網支護外，采用槽鋼梁錨索與點錨索補強支護，錨索規格φ21.6×8300mm，每間隔1 排錨桿打1 排補強錨索，槽鋼梁錨索與點錨索交叉布置，槽鋼梁錨索每排4 根，點錨索每排3 根，呈“4-3”布置方式，間排距1400×1600mm；點錨索垂直頂板打設，槽鋼梁錨索兩側兩根外扎10°打設，中間兩根垂直頂板打設。點錨索墊板采用300×300×14mm高強度可調心托板及配套鎖具，高度不低于60mm，承載能力不低于550kN。每根錨索使用4 支Z2350 型樹脂錨固劑錨固，預緊力不低于300kN，錨索外露長度150～250mm。

幫部采用錨網支護，每排打設5 根錨索，錨索規格：φ17.8×4200mm，間排距900×800mm，中間部分錨索垂直巷道幫部煤體打設，肩窩及底腳錨索分別上扎、下扎10°。每根錨索使用3 支Z2350 型樹脂錨固劑錨固，預緊力不小于200kN，錨索外露長度150～250mm。

巷道全斷面鋪設鋼筋冷拔焊接網，金屬焊接網規格φ6×2100×1190mm，網孔尺寸70×70mm，網片搭接寬度不少于3 格，每間隔不大于2 格用14#鉛絲雙股雙排綁扎，鉛絲必須旋擰不得少于3 圈，擰緊擰牢，鉛絲頭指向煤（巖）體表面。支護設計圖如圖1 所示。

3 礦壓觀測

3.1 礦壓觀測方案

為監測巷道圍巖穩定性，主要進行頂底板及兩幫變形量觀測，間接分析巷道變形情況。現場具體采用巷道表面位移觀測法及頂板離層指示儀進行觀測，觀測站建立要求如下：

3.1.1 表面位移觀測法。a.每個站建立四個觀測點（頂點一個、底點一個、兩幫各一個）。b.“頂點”建立在頂板中線位置，用鐵絲彎制掛鉤固定在頂板金屬網上；“底點”建立在頂點正下方，在底板上埋設木撅，并在木撅上釘鋼釘；“幫部點”建立在與頂、底點同一斷面內的巷道幫部，距底板高度1.5～1.8m 位置，用鐵絲彎制掛鉤固定在幫部金屬網上（受設備等影響時測點位置可適當調整）。

3.1.2 頂板離層儀觀測法。頂板離層儀觀測法選用WBY-13 指示型頂板離層儀，監測深度分別為2m、6m、9m。

觀測站建立原則：巷道開口掘進后，開口5m 范圍內必須建立1 個觀測站，之后觀測站按照50m 間距進行布置。如遇地質構造及地應力異常區，新增設觀測站。觀測站進行掛牌管理，安裝前10 天內每天觀測一次，10 天后每旬觀測一次。

3.2 礦壓顯現情況

通過礦壓觀測變化數據分析可知，巷道從開始掘進至工作面回采結束，頂板最大變化量110mm，平均變化量40mm；底板最大底鼓量350mm，平均底鼓量170mm；巷道兩幫收縮量最大200mm，平均收縮量103mm；巷道圍巖整體變形量較小，圍巖控制效果較好。（圖2）

4 結論

趙固一礦上覆巨厚松散地層，煤層埋深大，頂板基巖薄，巷道圍巖形變強烈，以往巷道支護設計難以滿足實際生產需要。實踐證明,在16021 工作面上順槽實施高強度、高預應力錨網支護設計，大幅度提高錨網支護的預應力參數。有效的控制了巷道圍巖變形離層,避免了圍巖松動區的擴大,保障了圍巖的整體完整性與穩定性，實現巷道自掘進至回采結束，無明顯形變的目標。既滿足巷道支護的可靠性要求，又避免巷道二次返修，在實際施工中取得了新的突破，具有推廣應用價值和借鑒意義。