优化支护设计在深井开采巷道围岩控制技术中的应用

文/王振海 吴文哲

黑龙江龙煤矿业集团鸡西分公司东海煤矿井田东西走向11km，南北倾向3km，井田面积33km2。井田内断层发育纵横交错，褶曲现象频繁出现，地质构造非常复杂。东海矿五采区为矿井四个主要采区之一，五采区32#煤层现已开拓延伸至四水平底部，距地表垂直深度已达1100多米，东海矿现处在典型深井复杂地质条件的开采阶段，井巷掘进及回采期间矿压显现异常，通过对五采32#层左十二路采面上回风顺槽锚网索钢带联合支护理论分析与实践，在深井开采矿压显现日趋剧烈情况下，不断优化高强度锚杆、锚索、金属网、“W”钢带联合支护设计与材料选型，32#层右十一采面回风顺槽通过优化支护技术参数和断面设计成功控制巷道围岩大变形，取得了一定成效，保证了安全生产。

一、深井矿压显现原因分析

矿井进入深部层开采后，由于煤岩层自重压力的增大，巷道主要表现在巷道围岩变软，围岩面易发生爆裂，巷道围岩三向受力状态发生改变，加上深部层开采顶板压力变大，造成巷道围岩的挤压破坏。随着挤压破坏向深部层发展，引起煤岩体裂隙扩张和体积膨胀，造成巷道煤岩层弯曲变形。弯曲拉应力逐渐变大，导致巷道顶板、巷帮煤岩体的破坏，尤其回采工作面上回风顺槽受工作面超前动压与上部沿空采空区残余应力释放叠加的影响，造成巷道变形严重、巷道断面的收缩量急剧增大，严重影响到矿井的安全生产。

二、煤层自然状况

五采区32层煤层厚度平均1.5m，煤层倾角 15°，煤质硬度为 f=1.0～1.5，煤层中部含 2～3层20～30mm厚夹矸，伪顶为0.2～0.6m厚度不等的砂质页岩及泥质页岩，直接顶为细质砂岩、泥页岩、炭质砂岩，厚度5～6m，层理发育抗压强度低，松软、易破碎，岩性不稳定。

三、巷道工程概况

五采区32#层左十二路采面上回风顺槽埋深1020m，工作面开切眼185m，上回风顺槽走向660m，沿煤层顶板掘进施工，与左十一路采空区留设5m宽区段煤柱。左十二路采面回风顺槽矿压观测回采期间工作面超前动压影响范围已达150m范围，巷道围岩变形严重地段在工作面超前50m范围，巷道两帮移近量最大达2.0m，顶底收缩量达1.5m，严重制约和影响了安全生产。

四、优化支护方案设计

1.原32层十二路采面回风顺槽巷道支护参数

锚杆参数：锚杆采用20MnSi左旋无纵筋预应力螺纹钢，直径∮18mm；长度1800mm；采用树脂锚固，锚固长度700mm，锚固剂：CK2335树脂锚固剂两卷。设计锚固力90KN：预紧力70KN：锚杆矩形布置每排4根，间排距：1000mm×1000mm；金属蝶形托盘：规格 120×120×8mm。 锚索：直径∮15.24、1860低松弛钢绞线、长度7.2m、靠上帮单排布置，间距2.0m。“W”钢带：规格3200×280×35mm，厚度 2.75mm。 金属网：10# 镀锌铁线；菱形金属网规格：3200×1500×35mm；网孔尺寸45×65mm。帮锚杆支护规格：∮35mm管缝式锚杆，长度 1600mm；间排距 700×700mm。

根据锚杆支护的刚性梁理论，通过锚杆的高预紧力使锚杆长度范围和锚杆长度以上的顶板离层得以消除，使顶板形成一个“刚性”梁体，提高顶板整体的抗剪强度，使水平应力对顶板剪切破坏不向顶板纵深发展，顶板的垂直压力被转移到巷道两侧煤体内，为使巷道两侧煤体压力减小，巷道两侧锚杆支护要与铅垂线保证一定角度，使锚固端锚在帮部稳定岩层中，增加锚杆与顶板的刚性梁长度，使巷道压力向煤体深部转移，缓解巷帮角应力的破坏，减小巷道两侧煤帮压力。增加锚杆长度后，尽量使锚杆深入到稳定岩层中，保证刚性梁足够厚度，使其具有较高的承载能力。

通过使用KBD5电磁辐射监测仪，利用煤岩体受不同压力后其内部电磁辐射波发生不同变化的电磁理论，在32层左十二路采面掘进及回采期间，找出采面掘进与回采时巷道压力电磁强度与频率变化峰值的大小，为下一步确定32层右十一路采面巷道支护参数与材质选型奠定基础。

根据以上理论和电磁辐射仪电磁强度的预测，决定对32右十一采面回风顺槽巷道支护参数、支护材质等加以修改，控制深井开采巷道围岩剧烈变化。

2.修改后32层右十一路采面回风顺槽巷道支护参数

锚杆参数：锚杆采用20MnSi左旋无纵筋预应力螺纹钢，修改直径为∮22mm长度22mm；采用树脂锚固，锚固长度700mm，锚固剂：CK2335数值锚固剂两卷。设计锚固力120KN；锚杆矩形布置每排4根，间排距改为：1000mm×900mm；金属蝶形托盘：规格 120×120×8mm。

锚索补强支护：锚索改为直径∮18.7mm高强度低松弛钢绞线，长度7200mm，外露长度控制在不大于350mm，张拉预紧力控制在60～80KN，矩形布置：间排距1800×2000mm。每孔装入5根树脂锚固剂固定，型号为 MSK2335、MSZ2335，每孔眼底装入1根MSK2335，外侧用4根MSZ2335，锚固力不低于200KN/根，托盘用长度300mm、宽度200mm、厚度 5mm 槽钢。 “W”钢带：规格：3200×280×35mm,厚度2.75mm。金属网：10#镀锌铁线；规格：3200×1800mm；网孔尺寸 45×65mm。 帮锚杆支护规格；修改为∮20mm高强度螺纹钢高杆：长度 1800mm，间排距：600×600mm。

对32层左十二路采面上回风顺槽巷道支护设计修改后，通过增加锚杆直径与支护密度，提高锚杆承载强度，加大锚杆预紧力的基础上，同时还增加锚索直径，加大锚索支护密度，提高顶板整体刚性承载强度。帮锚杆支护由管缝式改为高强度螺纹钢锚杆，并且还增加了帮锚固长度与支护密度，有效控制了松软煤岩体大的变形对安全生产的影响。

32层右十一路采面上回风顺槽在正常回采期间，通过对巷道的矿压观测，修改后的支护基本上控制住了巷道的收缩变形，保证了安全生产。

五、结论

东海煤矿在深井开采特殊地质条件下，通过合理的选择巷道支护技术参数，积极采用先进的支护工艺，在支护材料选型上积极探索与实践，研究制定出锚杆、索、金属网、钢带联合支护技术，同时制定出安全质量检查与顶板动态监测规范与标准，保证了锚杆、索、网、钢带的施工质量与安全。