高應力三軟煤巷錨索-鋼棚聯合支護研究與實踐

王丙振 趙淑紅

（1.永城煤電控股集團有限公司，河南 永城 476600；2.永城職業學院，河南 永城 476600）

受“三軟”煤層賦存條件制約及地質構造影響，嵩山煤礦煤巷支護一直以被動支護為主。嵩山煤礦開采煤層屬典型的“三軟”煤層，巷道缺少關鍵層承載壓力，開掘后直接體現為地應力大，需頻繁維修。

1 工程概況

1.1 生產地質條件

嵩山煤礦位于偃龍煤田嵩山井田中東部，嵩山背斜北翼，礦區主要構造為斷裂和滑動構造。開采山西組二1 煤，傾角平均15°，煤厚平均4.2 m。工作面采用走向長壁采煤法，綜采放頂煤工藝。礦區構造對二1 煤層影響較大，在生產過程中體現為原巖應力高、煤層組織疏松、強度極低，以面狀為主，手捏即碎，普氏硬度系數小于0.3。頂底板巖體中含大量白云母碎片、巖屑及葉臘石類礦物等，碎裂性、膨脹性、弱膠結性、易失穩性等突顯，屬于典型的碎塊式散體結構。人工開挖過程中，頂板隨作業震動或風吹隨時掉落，無自穩時間。據礦區83 個鉆孔統計，二1 煤層頂板巖性以泥巖（2 m）及砂質泥巖（7 m）為主，細粒砂巖及粉砂巖次之，局部與砂質泥巖互層，偽頂泥巖發育，厚度1.5～2.5 m 之間；底板巖性以泥巖（1 m）和粉砂巖（5 m）為主。

1.2 原有巷道支護存在的問題

由于煤巷壓力大，礦井原采用的U36 型鋼棚（500 mm 棚距）+點柱支護形式，無法保證長距離煤巷斷面保持，因此多年來采取了特殊的采掘布置形式：即每個回采工作面均布置2 條底板巖石集中巷，經石門分段短距離煤巷掘進（150～180 m），工作面分段回采。即便如此，短距離煤巷支架實際承載力一直呈現增長態勢直至屈服破壞，仍不能有效控制巷道變形，必須及時維修。據統計，長度為150～180 m 的順槽從掘進貫通到回采結束需翻修3～4 次，每米U 型鋼支護巷道需投入3 萬元以上。

2 三軟煤巷斷面及支護設計方案優化歷程[1-5]

（1）2019 年4 月下旬，在2200 下順槽4#段采用“U36 鋼棚+錨索梁”進行支護試驗。試驗長度80 m，棚距500 mm，錨索按每棚4/6 間隔布置，采用Φ21.6 mm×5500 mm 錨索。巷道寬度收縮至2.6～3.1 m、巷高收縮至1.5～1.7 m 后巷道變形基本趨于穩定，回采期間以落底為主，基本滿足使用需求。

（2）2019 年9 月，在2108 上順槽東1#段采用“U36 型鋼棚+中柱+錨索+大托盤+雙層網復合支護”進行支護試驗。試驗長度85 m，棚距500 mm，錨索全斷面布置8 根，肩窩以上采用Φ21.6 mm×7300 mm 錨索，兩側采用Φ21.6 mm×5500 mm 錨索，效果優于“U 型鋼棚+錨索梁”支護。

（3）2019 年11 月，在2108 上順槽東1#段通尺96～114 m 段（18 m）采用“單體柱+π 型梁+錨網索+高強T 型鋼帶”進行支護試驗。巷道寬度收縮至2.6～2.8 m、巷高收縮為1.5～1.7 m 后巷道變形基本趨于穩定，幫部錨索破斷較多，經分析為底鼓后受剪切力破斷。對該段巷道進行沿空留巷試驗，留巷平均寬度2.5 m，平均高度1.3 m，較理想。

（4）2020 年3 月，在2108 下順槽東2#段及改造巷采用“U36 型鋼棚+長短錨索+大托盤+雙層網”進行支護試驗。試驗長度共計330 m，取消中柱，棚距600 mm，全斷面錨索8 根/6 根間隔錨索，棚棚施工錨索。該段巷道寬度收縮至2.4～2.9 m、巷高收縮為1.6～2.1 m 后巷道變形基本趨于穩定。受工作面采動影響，巷道底鼓嚴重。

（5）2020 年6 月，在2108 上順槽東2#段采用“架棚+錨索+注漿錨索”進行支護試驗。試驗長度150 m，普通錨索與注漿錨索按8/4 根交替布置。回采期間巷道變形嚴重，注漿段巷道失修，效果較差。

（6）2020 年4 月開始，在2200 下順槽外段采用“半圓拱鋼棚+雙向拉伸護幫網、菱形網+鐵背板+錨索”進行支護試驗。試驗長度460 m，棚距700 mm，錨索按10/8 根間隔布置，根據煤厚采用5.3～6.3 m 錨索。回采期間動壓區巷道變形較嚴重，回采期間以落底為主，基本滿足使用需求。

（7）2020 年5 月開始，在2200 上順槽外段采用“三心拱+雙向拉伸護幫網、菱形網+鐵背板+錨索”進行支護試驗。試驗長度496 m，棚距為700 mm，錨索按8/7 根錨索交替布置，依據煤層厚度采用長度5.5～7.3 m 錨索。頂板塑性變形較嚴重，回采期間局部巷道發生返修，其余以落底為主，基本滿足使用需求。

3 2112 上順槽實施方案及效果

2112 順槽巷道設計長度840 m，沿二1 煤層底板掘進，上幫破矸500 mm。該區域煤層傾角平均15°，平均煤厚3.78 m，普氏硬度系數小于0.3，直接頂為3.0 m 厚泥巖，基本頂為3.13 m 砂質泥巖和1.42 m 細砂巖，直接底為1.2 m 砂質泥巖。斷面規格為：凈寬（拱基線處）×凈高=4800 mm×3500 mm，掘進高度為3750 mm，掘進寬度為5200 mm（起拱線位置），掘進斷面面積16.8 m2，凈斷面面積14.5 m2，外扎角5°，內扎角85°，柱窩深200 mm。采用“半圓拱鋼棚+雙向拉伸護幫網、菱形網+鐵背板+錨索”支護形式，具體如下（圖1）：

圖1 2112 上順槽支護斷面圖（mm）

（1）鋼棚支護。鋼棚為4 節結構，采用U36型鋼加工，棚腿與頂梁搭接長度為400 mm，頂梁之間搭接長度為400 mm，搭接處使用3 副卡纜（搭接端部使用限位卡纜）和1 副簡易連板（頂板連板安裝在北側卡纜間）；采用塑料護幫網、Φ8 mm菱形網配合鐵背板（寬50 mm、長900 mmU36 型鋼加工）背設，塑料護幫網在內層，菱形網在外層。背板頂部間距300 mm，幫部400 mm。棚距為650 mm，卡纜螺栓扭矩300 N·m，柱窩深200 mm。頂部和兩幫的背板應與巷道中線平行，背板兩頭要穿過鋼梁。背幫、背頂材料要緊貼圍巖，不得松動或空幫空頂。頂幫有空洞時，可用荊笆（800 mm×400 mm）或背木填實背嚴（不妨礙打設錨索）。

（2）全斷面錨索支護。鋼棚架設完成后，在后巷棚襠間打設錨索進行補強支護。錨索采用第一輪、第二輪隔棚交替施工的方式打設。錨索打設要求正頂端部卡纜處打設1 根，頂部兩端卡纜左右500 mm處、兩幫上卡纜向上350 mm 處、兩幫下卡纜向下350 mm 處、兩幫底板向上500 mm、1100 mm 處各打設1 根錨索。頂部、幫部錨索規格均采用Φ21.6 mm×7300 mm，每根錨索使用1 支MSK2350、2 支MSZ2350 型錨固劑，預緊力200 kN，錨索外露長度150～200 mm，錨索托盤采用廢舊U 型鋼加工而成，托盤規格：450 mm（長）×260 mm（寬）。綜掘時錨索第一輪要求滯后迎頭不超過10 棚，錨索第二輪要求滯后迎頭不超過15 棚。

4 支護參數校核

（1）錨索鋼絞線長度計算

鋼絞線長度按照式（1）計算：L=La+Lb（1）

式中：L為鋼絞線總長度，m；La為鋼絞線的自由段長度，取2 m；Lb為鋼絞線的錨固長度，m。

鋼絞線錨固長度Lb按公式（2）、（3）確定，并取其中較大的值：

式中：Lb為錨固段長度，mm；Nd為鋼絞線軸向拉力設計值，取200 kN；K為安全系數，取1.8；D為鉆孔直徑，取28 mm；d為單根鋼絞線直徑，取21.6 mm；n為鋼絞線根數，取1；fmg為錨固體與巖石孔壁之間的粘結強度設計值，取1.5 MPa；f'ms為錨固體與鋼絞線之間的粘結強度設計值，取1.5 MPa；ψ為錨固體長度對極限粘結強度的影響系數，取1.3。

經上式計算可得出Lb取2100 mm，則：

式中：d為鋼絞線直徑，mm；Nd為鋼絞線軸向拉力設計值，取200 kN；fptk為鋼絞線抗拉強度標準值，取1860 N/mm2；K為鋼絞線界面設計安全系數，取1.8。則：d=2[（KNd/fptk）/π]1/2=15.8 mm。

綜合考慮安全系數及理論計算值，錨索使用長度應該不小于計算值，錨索直徑應該不小于計算值，才能保證巷道的工程質量和施工安全。施工時，采用Φ21.6 mm×7300 mm 的錨索滿足使用要求。

2020 年9 月開始，在2112 上順槽采用“半圓拱鋼棚+雙向拉伸護幫網、菱形網+鐵背板+錨索”支護形式，施工總長度840 m，2021 年3 月一次掘進到位。根據礦壓觀測數據分析，巷道掘進兩個月后，位移基本趨于穩定。

5結論

以偃龍煤田嵩山煤礦長期面臨的構造區高應力三軟煤層巷道支護難題為背景，提出回采巷道斷面及支護形式、支護方案的優化設計方案，采用“半圓拱鋼棚+雙向拉伸護幫網、菱形網+鐵背板+錨索”支護形式可以保證工作面的正常回采，降低巷道維護成本。