塔然高勒煤矿总回风大巷矩形断面支护技术探析

文/边天亮

神华杭锦能源塔然高勒煤矿建设规模1000Mt/a，主采3-1煤层埋藏深度约600m，是目前我国西部煤炭开采史上最深井田。矿井采用立井开拓，井筒钻井接近主采煤层地段穿越均为破碎不稳定地层，岩石自然状态下平均抗压强度14.5MPa，部分抗压强度仅为0.6MPa，岩石孔隙率较大，为0.76～30.65%，含水率为 0.81～13.65%，吸水率为 0.70～10.35%，软化系数0.05～0.51。从井筒凿井穿过煤层上下岩层来看，岩体抗压强度很小，呈泥质胶结，胶结疏松，遇水后易崩解破坏，显软岩特征。因此，井巷治理与维护成为矿井建设过程中须重点攻克的技术难题。本文以塔然高勒煤矿总回风大巷为例，在分析最初采用拱形断面存在弊端的基础上，通过开展钻孔窥视和锚索锚固力现场试验，为大巷支护方案设计提供了理论依据。目前，塔然高勒煤矿总回风大巷已经贯通900m，大巷从掘进至今始终保持稳定状态，满足了矿井安全生产的需要，为矿井硐室、大巷及顺槽支护提供了有效的技术支撑。

一、拱形断面存在的问题

塔然高勒煤矿矿井西翼总回风大巷原采用拱形断面，掘进初期发现存在诸多弊端，主要体现在以下几个方面：

1.拱部围岩较为松软破碎，爆破后拱部围岩易出现冒落和掉顶，冒落深度达500mm以上，大巷难以成型。

2.两个拱肩围岩纵向裂隙发育，爆破后，拱肩位置围岩易出现踏腔，给锚杆支护作业带来较大困难，且巷道成巷类似矩形断面。

3.炮掘工程量大，成巷速度慢，限制了井巷工程完工期限。

依据西翼总回风大巷初期揭露的3-1煤层围岩稳定状况来看，煤层直接顶厚度约为1.8m左右，综掘机掘进后顶板平整，有利于锚杆施工作业。为此，塔然高勒煤矿将原来的拱形断面调整为矩形断面，按照矩形断面尺寸要求，及时提出了大巷设计方案，并进行了井下现场试验。

二、开展钻孔窥视和锚索锚固力现场试验

1.煤层顶板结构观察

采用KDBC-56型数字全景钻孔窥视仪观察顶板围岩结构面的发育状况，该仪器对裂缝分辨率为0.1mm，角度分辨率为0.1°，可提供钻孔360°平面展开图像，及虚拟钻孔岩芯图。采用合金钢钻头钻孔，深度大约7.0m，钻孔后钻头磨损严重，表明顶板岩层较坚硬。

2.锚索锚固力现场试验

锚索可锚性试验分三组，选用1支Z2360中速树脂锚固剂，锚索锚固段位置见下图。

结论如下：

(1)对于7m长度锚索，锚索实际深入顶板的深度为6.1m，锚固段长度为700mm，结合钻孔窥视结果，700mm的锚固长度全部在砾岩层中。当张拉油泵压力达到28MPa时，锚索锚固段被破坏，锚索发生了松动，可锚性试验完成，所用千斤顶的油缸承载面积为5.89cm2，得到锚索在砾岩层中的锚固力为164.92kN。

(2)对于5.5m长度锚索，井下得到两组试验数据，第一组锚索的外露长度为0.8m，深入岩层中的长度为4.7m，锚固段长度为700mm，结合钻孔窥视结果，700mm的锚固段有0.5m在砾岩层中，有0.2m在泥岩中。当张拉油泵压力达到30MPa时，锚索锚固段被破坏，锚索发生了松动，可锚性试验完成，所用千斤顶的油缸承载面积为5.89cm2，得到锚索在砾岩层和泥岩层中的锚固力为176.92kN。第二组锚索的外露长度为0.5m，深入岩层中的长度为5.0m，锚固段长度为700mm，结合钻孔窥视结果，700mm的锚固段全部在砾岩层中。当张拉油泵压力达到32MPa时，锚索锚固段被破坏，锚索发生了松动，可锚性试验完成，所用千斤顶的油缸承载面积为5.89cm2，得到锚索在砾岩层和泥岩层中的锚固力为188.48kN。

(3)对于4.3m长度锚索，现场得到一组试验数据，锚索的外露长度为0.35m，深入岩层中的长度为4.0m，锚固段长度700mm，结合钻孔窥视结果，700mm的锚固段有0.2m在泥岩层中，有0.5m在2-2煤层中。当张拉油泵压力达到22MPa时，锚索锚固段被破坏，锚索发生了松动，可锚性试验完成，所用千斤顶的油缸承载面积为5.89cm2，得到锚索在泥岩和煤层中的锚固力为129.58N。

根据上述数据分析，西翼回风大巷3-1煤层围岩变化较大，顶板距离砾岩层大约在4.5m左右，考虑到砾岩层钻进难度大，钻孔耗费时间长，以及锚索合理有效长度范围(4.0~6.0m)等综合因素，为了保证锚索有足够的锚固力，提出西翼回风大巷锚索长度确定为5.3m，保证0.5m长度锚固到砾岩层中，超过70%的锚固长度在岩层中，确保了锚索的锚固力，也提高了钻孔的进度和锚索的安装速度及效果。

三、总回风大巷支护方案

结合钻孔窥视和锚索锚固力试验成果，并依据实际围岩条件，塔然高勒煤矿设计回风大巷矩形断面尺寸为宽×高=5400×4000mm，采用高预应力锚网索喷联合支护。具体支护方案如下：

1.顶板布置6根屈服强度500MPa、 型号 φ22-M24-2400的高强锚杆，间排距1000×900mm，配套承载力不低于250kN、规格为150×150×12mm 的拱形托板，采用1支K2335和1支Z2360树脂锚固剂加长锚固；设计锚杆初始预紧力矩为400N.m，锚杆锚固力至少190kN以上，辅助型号W4-280-5200的W钢带及φ6.5的钢筋网护顶；顶板布置3根φ22-1φ19-5300强力锚索，间排距1500×1800mm，配套规格为 300×300×16mm拱型大托板，采用1支K2335和2支Z2360树脂锚固剂，设计锚索预紧力大于250kN。

2.两帮各布置4根与顶板规格与配套附件完全相同的高强锚杆，间排距 1000×900mm，辅助W4-280-450钢护板及φ6.5的钢筋网护帮，技术参数与顶板锚杆要求相同。掘出后及时初喷30～50mm厚度的混凝土封闭围岩，最后复喷150～170mm厚度的混凝土达到设计喷层厚度。

四、支护效果分析

塔然高勒煤矿在支护方案投入井下试验期间，开展了矿压监测工作，对锚杆(索)受力及顶板离层进行系统观察，以评价大巷支护效果。根据日常监测获得的数据，给出了锚杆锚索受力变化特征曲线，见下图。

根据此曲线来评价大巷支护效果，结论如下：

1.顶板三根锚杆受力呈现相似的变化特征，初始施加预应力后，随着时间变化锚杆的受力呈现平稳发展趋势，没有出现明显增大的特征，一直保持了稳定状态。

2.两帮锚杆受力显示相似的变化特征，施加初始预应力后，随着时间推移，锚杆受力大小保持了平稳发展态势，也没有出现反复变化的特点，一直维持了稳定状态。

3.锚索保持了较高预应力水平，随着掘进工作面的向前推进，锚索受力维持了稳定状态，没有出现明显的波动特征。

4.锚杆锚索初始施加较高预应力，大巷围岩得到及时控制，围岩长时间保持了稳定，锚杆锚索的受力大小基本维持在初始应力状态，显现出良好的受力特征。

5.顶板离层指示仪安装后，随着掘进工作面向前推进，深浅部离层始终为0mm，说明采用的支护设计有效地控制了深浅部围岩的离层，保持了大巷顶板的稳定。