李雅庄矿深部松散煤层巷道支护技术研究

杨文忠

(1．河南理工大学能源科学与工程学院，河南焦作454150;2．霍州煤电集团有限责任公司李雅庄煤矿，山西霍州031400)

李雅庄矿深部松散煤层巷道支护技术研究

杨文忠1，2

(1．河南理工大学能源科学与工程学院，河南焦作454150;2．霍州煤电集团有限责任公司李雅庄煤矿，山西霍州031400)

李雅庄矿2－6081巷道属于深部松散煤层巷道，支护困难。在该巷内进行了地应力测试，分析了巷道变形特征，提出了“强护表、快支护、高预紧力”的支护技术，采用新材料支护并进行井下试验，结果表明:地应力以垂直应力为主，属于中等应力区;巷道变形特征为帮部移近速度快、变形持续时间长、变形量大，两帮移近促进底鼓，导致底鼓严重;新支护在巷道浅部围岩形成强度较高的预应力承载结构，巷帮锚杆受力较小，两帮移近量在200 mm以内，支护效果显著。

深部巷道;松散煤层;地应力;支护技术

李雅庄矿开采2#煤层，回采巷道在煤层中沿顶板掘进，2－6081巷埋深超过600 m，属于深部开采范畴［1］，2－6081巷平行于落差11 m大断层，距断层20 m，受大断层影响煤层松散破碎［2，3］，巷道类型属于深部松散煤层巷道，巷道维护困难［4－6］．本文在2－6081巷内进行了地应力测试，分析了该巷的变形特征，提出了“强护表、快支护、高预紧力”的支护技术，并在井下进行了试验，取得了显著的支护效果。

1 工程概况

李雅庄矿是霍州矿区埋深较大的矿井，六采区2－6081巷埋深超过600 m，煤层厚度3.26 m，含0.2 m厚的夹矸，煤层倾角5°～16°，平均7°，受临近断层影响，煤体松散破碎。直接顶为泥岩，厚度1.3 m，之上依次为1 m厚的细粒砂岩，2.5 m厚的粉砂岩。直接底为泥岩，厚度0.8 m，往下依次为1.4 m厚的细砂岩，5.87 m厚的砂质泥岩。巷道在原支护方式下掘进300 m，巷道两帮移近量超过1 000 mm，底鼓严重，已经开始起底。

采用SYY－56型水压致裂地应力测量装置在2－6081巷内进行了地应力测试，最大水平主应力为14.62 MPa，最小水平主应力为8.40 MPa，垂直应力为15.03 MPa;为σV＞σH＞σh型应力场，根据相关判断标准:0～10 MPa为低应力区，10～18 MPa为中等应力区，18～30 MPa为高应力区，大于30 MPa为超高应力区。由此判断，测试区域地应力场在量值上属于中等应力值区域，水平应力比较低的原因主要是受临近断层影响。相关研究结果表明，水平主应力对巷道顶底板的影响作用大于对巷道两帮的影响，垂直应力主要影响巷道的两帮受力和变形，地应力场类型不利于巷道帮部煤体保持稳定。

2 2－6081巷变形特征

经过现场观察发现巷道变形特征如下:

1)巷道帮部移近速度快。在掘进后两帮移近量几天内就超过300 mm，帮部煤体破碎严重，出现网兜。

2)巷道帮部移近持续时间长。巷道距迎头100 m后帮部变形还在持续，原因主要是巷道埋深较大，再加上临近断层影响地应力场复杂，帮部煤体破碎，巷道围岩应力稳定时间长。

3)巷道帮部移近量大。两帮移近量最大1 000 mm，原因主要是帮部采用钢筋托梁护帮，护表能力差，钢筋托梁与帮部为线接触，不但不能很好地把锚杆预紧力扩散到帮部煤体中，还使锚杆预紧力集中在与钢筋托梁接触的煤体上，使钢筋托梁附近煤体由于应力集中而破碎，没能在巷帮浅部形成刚度较高的承载结构，导致巷帮变形持续增大。

4)底鼓严重。巷道掘进1个月后就开始起底，底鼓的原因主要是巷道埋深较大，地应力高，底板没有支护，再加上两帮移近量大，导致底鼓严重并且持续时间长。

3 2－6081巷支护设计

3.1 支护技术

根据巷道变形特征提出如下支护技术:

1)提高护表构件强度和刚度，采用W钢护板护帮。W钢护板与巷道的接触面积较大，可以使锚杆预紧力和支护阻力有效地扩散到距锚杆较远的煤体中，充分发挥单根锚杆的支护效果，提高锚杆的工效。

2)及时支护。目前巷道掘进后帮部空帮距离较大，由于巷道开挖后帮部由三向受力状态变为二向半受力状态，此时帮部最容易产生变形，应该及时支护恢复帮部的三向受力状态，减少帮部破碎煤体节理裂隙的进一步发育。

3)提高锚杆预紧力。目前帮部锚杆预紧力矩不足200 N·m，预紧力矩较低导致锚杆预紧力偏低，不能充分发挥锚杆主动的支护能力，应把预紧力矩提高至300 N·m以上，提高预紧力后，预紧力在巷道围岩中的扩散情况见图1．由图1可以看出，预紧力通过W钢护板的扩散作用几乎作用于整个巷道围岩表面，使巷道浅部围岩恢复至较好的三向应力状态，减少帮部煤体强度的降低，在帮部形成承载能力较高的预应力承载结构，充分发挥帮部煤体承载能力。

图1 锚杆预紧力扩散情况图

4)采用新型锚杆托盘。原托盘为圆形，承载力曲线见图2，承载力不足130 kN，而锚杆的破断强度为186 kN，托盘的承载能力与锚杆强度不配套，锚杆受力到一定程度后出现托盘翻转锚杆失效的现象，导致锚杆的支护作用不能充分发挥，不仅浪费锚杆材料还影响了支护效果。而且圆形托盘不能安装调心球垫和减摩垫片，导致锚杆预紧力矩与预紧力转化效率低，锚杆受复合应力严重，当锚杆与巷道表面不垂直时，锚杆会受到较大的剪切和弯曲受力而发生破断。采用高强度拱形方托盘增加了减摩垫片和调心球垫，有效解决了上述问题，提高了锚杆与其支护构件的配套性。

图2 锚杆托盘及其承载力曲线图

3.2 支护设计

1)顶板支护。

锚杆杆体为直径22 mm左旋无纵筋螺纹钢筋，屈服强度335 MPa，长度2 400 mm，树脂加长锚固，采用两支树脂药卷，一支规格为CK2340，一支规格为Z2360。托盘采用拱型高强度托盘，为150 mm× 150 mm×8 mm，配合高强托板调心球垫和1010尼龙垫圈。W钢护板护顶，厚度4 mm，宽280 mm，长度450 mm．锚杆排距1 000 mm，每排6根锚杆，间距900 mm．锚杆预紧扭矩要达到300 N·m．锚索材料为d22 mm，1×19股高强度低松弛预应力钢绞线，延伸率7%，长度5 300 mm，钻孔直径30 mm，采用3支树脂药卷，一支规格为CK2340，两支规格为Z2360.锚索托盘300 mm×300 mm×14 mm高强度可调心托板。锚索为“二·二间隔”布置，排距2 000 mm，锚索间距1 800 mm．锚索预紧力为250～300 kN．

2)两帮支护。

锚杆杆体为直径22 mm左旋无纵筋螺纹钢筋，屈服强度335 MPa，长度2 400 mm，树脂加长锚固，采用两支树脂药卷，一支规格为CK2340，一支规格为Z2360．锚杆托盘采用拱型高强度托盘，托盘为150 mm×150 mm×8 mm，配合高强托板调心球垫和1010尼龙垫圈。W钢护板护帮，厚度4 mm，宽280 mm，长度450 mm．锚杆排距1 000 mm，每排每帮4根锚杆，间距1 000 mm．锚杆预紧扭矩要达到300 N·m．

锚杆全部垂直巷道顶板和帮部打设，考虑到施工需要，允许5°误差。支护图见图3．

图3 巷道支护设计图

4 矿压监测

新支护应用后进行了矿压监测，安装8个帮部锚杆测力计，左4#及右1#测力计受水影响读数不正常，其余帮部锚杆的受力变化情况见图4，从图4中可以看出:

1)除顶右2#锚杆预紧力较低为11 kN，其余5根锚杆预紧力在31～52 kN，这5根锚杆的预紧力均达到了杆体屈服强度的30%以上，能达到高预应力支护要求，安装时锚杆的预紧力矩均在300 N·m以上均符合设计要求。

图4 两帮锚杆受力情况图

2)帮部锚杆受力增加较大，测站距掘进头15 m左右时锚杆受力开始稳定，在60 m左右最大帮部锚杆受力78 kN．

3)帮部锚杆受力整体较小，原因主要是锚杆施加高预紧力后，在巷帮浅部形成了刚度较大的预应力承载结构，减少了两帮的变形量，也使锚杆受力变小。

巷道两帮移近量监测结果表明，巷道稳定后两帮移近量不足200 mm，支护效果较好。

5 结论

1)6081巷最大水平主应力为14.62 MPa，最小水平主应力为8.40 MPa，垂直应力为15.03 MPa;为σV＞σH＞σh型应力场，地应力场在量值上属于中等应力值区域，地应力场类型不利于巷道帮部煤体保持稳定。

2)巷道变形特征为巷道帮部移近速度快、变形持续时间长、变形量大，两帮移近量大促进底鼓，导致底鼓严重。

3)“强护表、快支护、高预紧力”的支护技术，在巷道浅部形成强度较高的预应力承载结构，采用与锚杆配套性更好的新型锚杆托盘，充分发挥锚杆支护能力，矿压监测结果表明帮部锚杆受力不大，两帮移近量在200 mm以内，巷道变形情况较原支护有明显降低。

［1］张志康，王连国，单仁亮，等．深部动压巷道高阻让压支护技术研究［J］．采矿与安全工程学报，2012(1):33－37.

［2］余伟健，高谦，靳学奇，等．受断层构造影响的深部岩体现场调查及力学特征分析［J］．地球物理学进展，2013(1):488－497.

［3］刘武麟．临近断层回采巷道围岩变形特征及支护技术研究［D］．青岛:山东科技大学硕士论文，2010.

［4］康红普．深部煤巷锚杆支护技术的研究与实践［J］．煤矿开采，2011(1):1－5.

［5］康红普，王金华，林健．高预应力强力支护系统及其在深部巷道中的应用［J］．煤炭学报，2007(12):1233－1238.

［6］康红普，王金华，高富强．掘进工作面围岩应力分布特征及其与支护的关系［J］．煤炭学报，2009(12):1585－1593.

Research on the Roadway Supporting Technology of Deep Loose Coal Seam in Liyazhuang Coal Mine

YANG W enzhong

2－6081 roadway of Liyazhuang coalmine belongs to deep loose coal seam roadway，and the support is difficult．Ground stress test is conducted in roadway，the deformation characteristics of roadway is analyzed，and the support technology is put forward．New material is adopted to support and the test is carried out undergound．The results show that vertical stress plays a dominant role in ground stress，itbelongs to themedium stress zone．The deformation characteristics of roadway is that two sides approaching speed is fast，the duration of deformation is long，the deformation is high．The approaching of two sides leads to severe heaving floor．The new supporting forms the higher strength prestressed bearing structure in shallow surrounding rock of roadway，the stress of anchor in roadway two sides is lesser，the displacement of two sides is within 200 mm．The supporting effects is remarkable．

Deep roadway;Loose coal seam;Ground stress;Support technology

TD353

B

1672－0652(2015)09－0045－03

2015－08－18

杨文忠(1982—)，男，山西洪洞人，2009年毕业于太原理工大学，工程师，主要从事矿井生产技术工作(E－mail)908099041@qq．com