卸压增阻弱结构补强支护技术在巷道掘进中的应用

满乐祝，刘振学，张巨峰，谷家涛

（靖远煤业集团有限责任公司魏家地煤矿， 甘肃白银市 730913）

卸压增阻弱结构补强支护技术在巷道掘进中的应用

满乐祝，刘振学，张巨峰，谷家涛

（靖远煤业集团有限责任公司魏家地煤矿， 甘肃白银市 730913）

为了改进构造影响带内原始突出特厚煤层、大倾角、大断面松散煤体巷道掘进和支护难题，结合魏家地煤矿的地质条件和原有的支护技术，对卸压增阻弱结构补强支护技术进行了研究和应用。通过现场试验，达到了预期目的。

卸压增阻；弱结构补强；掘进；支护

魏家地煤矿是靖远煤业集团有限责任公司的骨干生产矿井，设计生产能力150万t／a，服务年限105a，属煤与瓦斯突出矿井，“三软”煤层，煤尘具有爆炸性，煤层易燃氧化。矿井存在瓦斯、火灾、煤尘、水、顶板等重大危害，是国家重点监控的矿井之一。

随着开采深度和广度的加大，构造影响带内原始煤层巷道掘进与支护改革势在必行。特别是大断面、大倾角特厚松散煤体中掘进，是矿井目前生产技术管理的重点和难点。国内诸多学者对松软煤层的支护进行过大量的研究［1－3］。但是，卸压增阻弱结构补强支护技术的研究却很少，为此，在魏家地煤矿原有小断面再扩成大断面掘进方法的基础上，结合矿山具体的地质条件，对构造影响带内原始突出煤层、大断面巷道进行增阻弱结构补强支护技术开展了应用研究，对三软煤层巷道掘进和支护革新具有重大的意义。

1 三软煤层巷道支护原理与卸压增阻弱结构补强支护技术

巷道在掘进及回采期间的支护主要受巷道围岩的强度、支护方式、围岩的稳定性等影响。一般来说，三软煤层巷道围岩破坏的主要特点是：初期变形速率大，时间效应明显，对环境变化和应力扰动非常敏感，因此，巷道支护时软岩不可避免地进入塑性状态，软岩达到了最大塑性承载能力，此时的支护效果最好，同时最大塑性能（如膨胀变形能）能够以某种形式释放出来，释放其变形能，即巷道支护的“让压”原理［4］。软岩巷道的破坏过程是一个渐进的力学过程，往往开始于一个或几个部位的变形、损伤，进而使整个支护系统失稳。这些首先破坏的部位，称为关键部位。导致关键部位产生的主要原因是支护体力学特性与围岩力学特性不耦合，致使围岩应力集中处和围岩体强度薄弱的地方通常出现这种状况，关键部位的及时支护是解决问题的主要方法［5－6］。

卸压增阻弱结构补强支护技术是指在巷道掘进前，以卸压增阻为目的实施钻孔卸压和煤层注水，以提高自身粘结力和煤体内摩擦阻力来改善煤体自身条件，以控制巷道围岩中关键点为核心，以支护好弱结构面为目的，利用锚杆与桁架锚索控制两帮和顶板的新型支护技术，进而实现巷道弱结构面的均匀化和支护的体系化，以达到预期支护效果。其中弱结构面是指巷道掘出后由节理、层理、裂隙切割成的众多面积相当的基本结构面。

2 卸压增阻弱结构补强支护技术的应用

2.1 煤层地质构造情况

1114工作面煤层基本为单斜煤层，该区域煤层受到F1－2断层组及其派生构造的挤压、推覆与叠加，煤层构造破坏很严重，多成粉沫状、鳞片状，属典型的构造煤，同时又为煤与瓦斯突出煤层。煤层顶底板沿走向、倾向起伏较大，个别地段煤层底板有突然隆起现象，但煤层底板基本呈西高东低之势。煤层倾角为15°～35°，沿走向向西煤层倾角逐渐增大。

工作面南部和东段350m布置在F1－2断层组构造影响带内，地质构造复杂。该区域煤层顶底板起伏变化大，局部地段底板有突然隆起、下扎现象，煤层松软，对巷道掘进影响较大。

煤层由于受F1－2断层组的影响，小断层（切层断层和顺煤层断层）、小褶皱特别发育，煤层厚度变化较大。煤层总厚度6～26.5m；有益厚度8～22 m；可采厚度6～18m，平均厚度12m。煤层结构复杂，夹矸3～7层，厚度0.3～2.5m，沿走向向东夹矸层数逐渐增多、厚度逐渐增厚。

1114切眼巷道断面为圆角矩形。掘进断面S＝22.26m2，净断面S＝20.96m2，掘宽7.7m，净宽7.5m，掘高2.9m，净高2.8m。

2.2 卸压增阻参数设计

卸压增阻是根据现场掘进过程中的煤层情况，提前释放煤体中的CH4及构造应力，以增加巷道断面内及顶部煤体自身粘结性和承载强度为目的，按照超前钻孔的释放半径和卸压范围科学地设计释放钻孔，根据注水渗透半径和温润煤体的时间间隔，合理设计注水钻孔的参数，且循环有序，以达到预期效果。卸压增阻钻孔设计参数如图1所示。

图1 卸压增阻钻孔布置

卸压释放孔直径为95mm、深度8.0m，方位同巷道走向、倾角为＋10°～＋15°，在巷道断面内均匀布置，每班错位交替施工，以达到全断面均匀释放的效果。注水增阻钻孔直径为45mm、深度8.0m，沿巷道走向以孔口3.0m外到达巷道顶部为基准，在断面内左、中、右交替按上下两排布置，两排钻孔距顶板以下分别为1.0m和1.5m、倾角为15°和19°。注水封孔器深入孔口1.0～1.5m，以满足有效封孔和循环进度后可拆下重复使用的要求。采用FKQ－2×0.5专用注水封孔器，静水压＞2MPa，封孔器长度0.5m，并安装专用高压水表对注水压力及流量进行统计观测，及时调整注水参数。

2.3 弱结构补强双支护参数设计

根据现场条件，按照巷道变形控制效果好、安全可靠和易于施工的原则，确定巷道支护方式，如图2所示。

图2 巷道支护

巷道断面为圆角矩形，净宽7.5m，净高3.0 m。顶部采用Φ17.8mm×4300mm高强度低松弛预应力钢绞线，间排距700mm×800mm；配套200 mm×200mm×80mm木托板、10mm×150mm×150mm碟形托板、半球垫、专用锁具，采用K2360、Z2360树脂锚固剂各1支加长锚固。帮部采用Φ20×2000mm等强度螺纹钢锚杆，间排距700mm×800mm；配套200mm×200mm×60 mm木托板、10mm×150mm×150mm碟形托板、半球垫、减摩垫、M22×25加厚螺母，采用Z2360树脂锚固剂2支加长锚固。桁架锚索采用Φ17.8×9000mm高强度低松弛预应力钢绞线，配套200 mm×200mm×80mm木托板、U25×1800mm型钢、专用锁具，采用K2360、Z2360树脂锚固剂1支和2支加长锚固。铺设850mm×9000mm的菱形金属网，网孔30mm×30mm，且网后加铺纤维布。

2.4 大倾角煤壁控制参数设计

若遇到掘进工作面倾角大，煤层松软破碎，难以控制煤帮垮帮时，采用在工作面端面巷道顶部以下0.5m和腰线范围内，沿走向打一排孔口间距1.0～1.5m、孔深9m左右的注浆锚索孔，打注Φ17.8×9000mm的锚索，控制煤帮片帮冒顶。随着掘进的推进逐段推移张拉锚索，使托板始终紧贴煤壁，控制煤帮。循环交替施工锚索，防止煤壁超前垮帮，如图3所示。

图3 控制煤帮的锚索示意

2.5 围岩变形及支护质量监测

组织监测人员在1114工作面切眼开口向上10 m处安装一台顶板离层仪，记录顶板变形数据，定期进行统计。每50m设一个观测站，观察记录两帮巷道收敛变形及顶部下沉量。并注明观测位置（即距导线点距离），每天由施工队技术人员进行观测记录，并对观测资料整理，进行巷道变形、支护强度分析，根据情况调整支护参数。

（1）锚杆锚索锚固质量拉拔检查及仪器。采用LC—280型拉拔测力器每100根以下随机抽样3根锚杆拉拔拉载。顶板锚杆加载到70kN，帮部锚杆加载到40kN，其中若有一根不合要求，再抽样5根试验。

（2）锚杆锚索承载速度检查及仪器。采用LC—280型拉拔测力器进行拉拔试验，检查锚杆承载度。要求10min内应达到设计值的60%以上。

（3）锚杆、锚索预紧力检查及仪器。在巷道掘进中，安排专人以不少于30%的比例和不大于1d的时间间隔，采用力矩示值扳手对锚杆、锚索预紧力进行抽检。

（4）锚杆锚索锚固质量巡检。每隔5d对巷道锚杆进行巡检，对顶板、两帮失效的锚杆及时补打，对托板松动的及时紧固，对局部片帮或小范围的漏顶及时背紧。检查顶板、两帮失效的锚杆，托板是否松动，锚杆间排距是否过大，杆体外露长度和安装角度是否合乎设计要求，统计锚杆安装质量的合格率和优良率。

3 结 论

（1）卸压增阻弱结构补强技术的应用，一方面为区域解突抽采掘接替和顺利安装支架创造了条件；另一方面为一次成巷加强了顶板控制，降低了巷道支护和维护成本。

（2）卸压增阻技术是针对煤层CH4赋存不稳定、CH4含量高、煤层透气性差和煤层构造应力分布复杂的巷道提出的。通过密集多循环的释放钻孔和连续注水措施，达到了释放煤体CH4和降低构造应力的目的，提高了煤体自身粘结力和煤体内摩擦阻力，改善了施工条件，为支护提供了可靠地质保障。

（3）弱结构补强双支护技术是针对煤体松散，层理、节理、裂隙较为发育，巷道表面支护体容易受到破坏的特点提出来的，通过短锚索支顶、高强锚杆支帮形成相对较深的组合梁加固层，实现了预期的支护效果。顶部基本支护采用短锚索较锚杆增加了组合梁1.5m以上的加固层厚度，增加了强度，长锚索锚固点的均匀分布，使巷道整体在深度上起到悬吊支护的效果，桁架锚索的应用提高了加固层表面弱结构的强度，使支护实现体系化。

（4）在现场施工中发现，应在巷道暴露的最短时间内使煤体得到及时加固支护，支护的滞后会导致松动层的加深和扩大，造成支护系统的不稳定。

（5）顶部锚索锚固深度、锚杆的布置，以及锚索的补强前后时间差有待于进一步研究。

［1］郭中华，白少华，赵 辉.三软煤层巷道联合支护技术［J］.中州煤炭，2011，185（5）：60－62.

［2］孙立亚，卢 敏.软煤层综放面收尾工程锚网与锚索支护实践［J］.煤炭工程，2011（5）：25－27.

［3］任玉朋.三软煤层综采大断面切眼锚网索支护技术［J］.中州煤炭，2011，185（8）：69－74.

［4］康红普.软岩巷道底臌的机理及防治［M］.北京：煤炭工业出版社，1993.

［5］陈炎光，陆士良.中国煤矿巷道围岩控制［M］.徐州：中国矿业大学出版社，1994.

［6］何满潮.软岩工程的理论与实践［M］.徐州：中国矿业大学出版社，1996.

2011－11－24）

满乐祝（1962－），男，甘肃兰州人，工程师，从事煤炭开采技术和管理工作，Email：jufeng6100229＠126.com。