强烈动压托顶煤巷道支护技术研究

杨朝霞， 赵明霞

(1.阳泉煤业集团二矿，山西 阳泉 045400；2.山西工程技术学院，山西 阳泉 045400)

强烈动压托顶煤巷道支护技术研究

杨朝霞1， 赵明霞2*

(1.阳泉煤业集团二矿，山西 阳泉 045400；2.山西工程技术学院，山西 阳泉 045400)

阳煤二矿15号煤强烈动压托顶煤巷道支护难度大，针对阳煤二矿81007回风巷围岩工程环境特征，分析了巷道变形破坏因素，确定了煤柱合理尺寸20 m，提出了采用高预应力强力支护系统控制巷道变形，确定了具体支护方案和参数，并进行了工业性试验，试验结果表明，文中提出的设计方案能够有效地保证工作面正常回采，满足生产需求。

动压；托顶煤；地应力；高预应力；工业性试验

阳煤二矿15#煤层托顶煤动压回采巷道一般采用锚网索支护方式，顶板采用全锚索支护，锚索为直径21.6 mm低松弛钢绞线锚索，长度一般为8.3 m或6.3 m，配套波纹钢带使用，动压巷道两帮多采用锚索配锚杆使用，帮锚索长4.5m，两帮锚杆为圆钢锚杆，锚杆直径20 mm，钢号335号，锚杆预紧扭矩120 Nm，顶锚索预紧力一般为200 kN～250 kN，帮锚索预紧力一般为150 kN～200 kN。对于托顶煤强烈动压巷道，国内外学者针对该类条件下巷道支护进行了不少研究，取得了一些成果[1-2]，结合相关研究成果，阳煤矿区进行了长期的巷道支护实践，积累了丰富的经验。

1 围岩工程特点

阳煤二矿81007回风巷埋深600 m，北邻81006工作面采空区，东邻80702、80704工作面采空区，西为十采准备巷道，南为81008工作面未回采，81006工作面采空区与81007回风巷相邻，区间保护煤柱20 m，沿15#煤层底板掘进，15#煤层位于石灰系上统太原组，煤层厚度平均约6.8 m，煤层倾角1°～8°，平均4°。15#煤为灰黑至黑灰色，夹有少量粒状煤，煤层节理发育，顶板主要为泥岩、砂质泥岩和细粒砂岩，伪顶以泥岩为主，底板以泥岩和细粒砂岩为主。81007工作面煤层顶底板围岩情况如表1所示。地应力测试结果显示，该巷附近最大水平主应力15.80 MPa，最小水平主应力8.20 MPa，垂直应力10.83 MPa，15#煤顶板主要由泥岩和泥质砂岩组成，泥岩岩层呈深黑色，泥质胶结，岩层强度平均值为32.21 MPa。泥质砂岩2.3 m处有明显的横向裂隙，4.2 m处裂隙比较发育，4.2 m～7.2 m岩层相对完整，岩层平均强度为42.90 MPa。8.0 m～10.0 m处为细砂岩，岩层呈深灰色，钙质胶结，岩层平均强度为60.46 MPa。15#煤层顶板10 m范围内与锚杆支护直接相关的煤岩体岩性主要为泥质砂岩、石灰岩和砂泥岩。15#巷帮煤体强度浅部普遍存在松散破碎现象，所测区域15#煤体强度平均值为14.39 MPa。

表1 煤层顶底板岩性

2 巷道变形破坏因素分析

1) 多重采动影响。试验巷道最大埋深近600 m，地应力测试结果显示，最大水平应力为15.8 MPa，原岩应力水平高。受三重采掘动压影响，一是受相邻工作面采动影响，造成侧向支承应力高度集中，二是受附近新内错巷道的影响，三是靠近切眼附近受对面工作面采空去未稳定采动影响，三重强烈动压影响下，81007回风巷围岩应力高度集中，巷道维护难度极高。

2) 托顶煤与强烈“煤炮”。由于巷道处在高应力集中区域，掘进期间，巷道顶板“煤炮”频繁，强烈动载对巷道煤岩体的完整性破坏较大，巷道托顶煤布置，强烈动载破坏顶煤结构，从产生裂隙到逐渐扩大最终导致煤体破碎，大幅度减弱锚杆锚索主动支护系统作用。破坏支护体系。

3) 煤体结构破坏严重。受相邻采动影响，两帮煤体结构完整性破坏严重，两帮窥视结构结果显示，煤柱侧帮煤体结构破坏深度超过4.5 m，且破碎带多，节理、裂隙发育，严重降低两帮支护强度，大幅度减弱锚杆锚索锚固性能。

3 煤柱尺寸分析

81007回风巷围岩受力状态十分复杂，采用数值模拟软件，模拟10、15、20、25 m煤柱尺寸条件下巷道围岩应力分布与变形破坏特征。本文以煤柱20 m下巷道开挖后围岩应力分布图与不同煤柱尺寸下垂直应力峰值变化规律进行说明，如图1和图2所示。

图1 20 m煤柱下围岩应力分布

图2 不同煤柱条件下两帮垂直应力峰值

不同煤柱尺寸下81007回风巷煤柱应力、顶板下沉量、围岩塑性变形和破坏可知，煤柱尺寸从10 m增加到20 m，两帮垂直应力峰值、顶板下沉量也显著降低，围岩塑性变形范围逐渐缩小，再增加煤柱尺寸后，变化幅度不明显。综合多种因素，选择临近81006工作面采空区与81007回风巷煤柱尺寸为20 m。

4 支护方案

81007回风巷沿采空区边缘掘进，设计煤柱宽度20 m，净断面宽4 400 mm，高3 000 mm，净断面面积13.2 m2，掘进断面宽4 700 mm，掘进高度3 200 mm，掘进断面面积15.04 m2。依据高预应力强力支护理论[3]，结合工程实践经验，设计采用高预应力强力支护系统控制技术。具体支护方案如图3所示。

图3 81007回风巷锚杆、锚索支护布置图

1) 顶板支护方案

锚杆杆体为22#左旋无纵筋螺纹钢筋，钢号为335号，采用高强锚杆螺母M24，配合高强托板调心球垫和尼龙垫圈，顶板护表采用W钢护板和钢筋托梁，W钢护板宽280 mm，长460 mm，厚度不低于4 mm，肋高不低于25 mm。钢筋托梁采用直径14 mm钢筋焊接，两端头双筋焊接，钢筋托梁长4.4 m，宽0.21 m，顶板锚杆排距0.9 m，间距0.85 m。锚索材料为Φ21.6 mm，1×7股高强度低松弛预应力钢绞线，长度6.2 m和8.2 m，每排锚杆打设3根锚索。

2) 两帮支护方案

两帮锚杆规格同顶锚杆，护表采用单独W钢护板，W钢护板同顶板，两帮采用锚索补强，锚索形式和规格：锚索材料为Φ21.6 mm，1×7股高强度低松弛预应力钢绞线，长度4.5 m，煤柱侧帮锚索布置：每2排锚杆打设3根锚索，锚索间距为1 400 mm，上部锚索距离顶板为1.2 m，实体煤侧帮锚索布置：每排锚杆打设1根锚索,排距0.9 m。顶板锚索初始张拉不低于300 kN，预紧力损失后不低于240 kN，帮锚索初始张拉不低于200 kN，预紧力损失后不低于140 kN，锚杆预紧扭矩≥400 Nm，禁止超过550 Nm。在巷道服务期间，根据不同地段巷道变形情况进行了方案调整。

5 井下工业性试验

为了分析81007回风巷的变形规律，共计布置2个综合矿压监测测站。在巷道服务过程整体变形强烈，需要进行顶板补强，设计巷道超前支护段超过300 m，超前支护主要采用打设四排单体支柱进行支护。总体而言，矿压监测结果显示，顶板“煤炮”频繁，巷道稳定时间较长，锚杆锚索受力大，其中，顶板锚索受力最大接近510 kN，两帮锚索受力最大302 kN；巷道整体变形量大，两帮最大变形量约1.1 m，巷道底板明显巷道最大底鼓量约1.5 m，顶板最大下沉量约500 mm，需要进行多次拉底。总体而言，巷道变形量降低，经过简单拉底后满足了工作回采要求。

6 结论

本文通过对强烈动压托顶煤巷道81007回风巷支护技术研究，得出以下结论：

1) 阳煤二矿15#强烈动压托顶煤掘巷属于复杂困难巷道，分析了该类巷道变形破坏因素，认为巷道变形破坏是受多重动压影响、托顶煤、强烈“煤炮”、煤体结构破坏严重综合因素造成，巷道维护难度高。

2) 数值模拟研究确定了煤柱合理尺寸为20 m，基于高预应力强力支护理论，针对试验巷道具体地质条件，设计了采用高预应力强力锚杆锚索控系统，并确定了试验巷道具体控制方案和参数。

3) 井下强烈动压托顶煤巷道试验表明，采用高预应力强力锚杆锚索支护系统后，巷道围岩变形得到整体控制，巷道变形量满足工作面正产回采需求。

[1] 康红普,王金华.煤巷锚杆支护理论与成套技术[M].北京:煤炭工业出版社,2007.

[2] 柏建彪.沿空掘巷围岩控制[M].徐州:中国矿业大学出版社，2006.

[3] 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,2007,32(12):1233-1238.

Study on supporting technology of strong dynamic pressure top coal roadway

YANG Zhaoxia1, ZHAO Mingxia2*

(1.Second Coal Mine, Yangquan Coal Industry Group Co., Ltd., Yangquan Shanxi 045400, China; 2.Shanxi Instuite of Technology, Yangquan Shanxi 045400, China)

It is difficult to support No.15 coal mine strong dynamic pressure top coal roadway in second coal mine of Yangquan Coal Industry. As to the environmental characteristics of surrounding rock engineering in 81007 air return roadway, the factors of roadway deformation was analyzed, and the reasonable size of the coal pillar was 20 m. The high prestress and intensive supporting system of was proposed to control roadway deformation. The specific supporting scheme and parameters were determined, and industrial test was carried out. The test results show that the proposed design scheme can effectively ensure the normal mining in working face and meet production needs.

dynamic pressure; top coal; crustal stress; high prestress; industrial test

2017-06-16

杨朝霞，男，1979年出生，2012年毕业于山西大同大学，本科，工程师。研究方向：掘进巷道支护工艺。

10.16525/j.cnki.cn14-1109/tq.2017.04.40

TD353

A

1004-7050(2017)04-0115-03

*通讯作者：赵明霞，山西工程技术学院采矿系，博士学位。

煤矿工程