软弱围岩回采巷道支护优化研究

祁虎根，薛旭辉

(1.霍州煤电集团，山西 霍州 031400； 2.霍州煤电集团 研究院，山西 霍州 031400)

软弱围岩回采巷道支护优化研究

祁虎根1，薛旭辉2

(1.霍州煤电集团，山西 霍州 031400； 2.霍州煤电集团 研究院，山西 霍州 031400)

三交河煤矿下组煤回采巷道围岩岩性特征变化较大，部分回采巷道顶板存在软弱泥岩，局部巷道在掘进过程中顶板出现随掘随冒落现象，严重影响矿井安全生产和经济效益。为保证巷道支护安全，同时进一步降低巷道支护成本，提高巷道掘进效率，通过现场调研、锚固力试验、巷道围岩地质力学测试，结合已有经验成果，分析了现有巷道支护存在的问题，提出了合理的巷道支护初始设计，增加了锚杆锚索预紧力。通过对支护设计井下现场应用跟踪和矿压监测数据收集分析，得出锚杆锚索受力满足高预应力要求，最大锚杆受力接近其屈服强度，锚杆锚索承载力得到充分发挥，在保证安全的条件下巷道掘进效率提高38%，验证了新支护设计的合理性。

软弱围岩；高预紧力；支护优化；地应力测试

1 试验巷道布置情况

11-0031巷井下位于+850 m水平，埋深280 m，其东侧为11-001回采工作面煤柱宽度40 m，西侧为实体煤，南端为实体煤，北端为下组煤东轨道巷。11-0031巷总工程量为1 507 m，11-0032巷总工程量为1 667 m. 工作面布置示意图见图1.

图1 11-003工作面布置示意图

2 工作面煤层顶底板围岩分布情况

11-003工作面11#煤层厚度2.7 m，煤层之上依次为平均厚度2 m的泥岩，平均厚度2 m的10#下煤层，基本顶为K2灰岩。煤层之下依次为平均厚度2.7 m的泥岩，平均厚度2.2 m的泥灰岩，平均厚度2 m的泥岩。煤层及顶底板情况见图2.

3 下组煤围岩地质力学特征[1]

对三交河煤矿下组煤巷道支护现状进行调研分析，选定围岩地质力学测试点，进行地应力、围岩强度与围岩结构测试，为确定巷道支护参数奠定基础。围岩结构观测结果、围岩强度和水力压裂曲线分别见图3，图4，图5.

图2 11-003工作面岩层柱状图

图4 顶板岩体强度测试结果图

图5 测站水力压裂曲线图

4 原有支护形式及存在的不足

11-003正副巷为矩形断面，沿11#煤层顶板掘进，掘宽4.3 m，掘高3 m，顶板支护采用锚网、钢带、锚索、槽钢联合支护方式，顶锚杆选用d22 mm×2 500 mm的左旋螺纹钢锚杆，间排距950 mm×1 000 mm. 锚索选用d21.6 mm×8 200 mm的钢绞线，每6 m施工一组至K2灰岩1 m以上，锚索“二·二”布置，间排距1 600 mm×2 000 mm，锚索托盘采用22#槽钢配套180 mm×180 mm×12 mm平钢板。帮部采用锚网梁支护方式，帮锚杆选用d20 mm×2 000 mm的左旋螺纹钢，“四·四”布置，间排距900 mm×1 000 mm. 巷道支护参数见图6.

图6 11-003原有巷道断面支护图

原有巷道支护存在的不足：1) 锚索预紧力偏低。原设计中锚索预紧力为40 MPa，现场查看锚索张拉机具，40 MPa所对应的预紧力为160 kN，考虑锚索张拉后30%的预紧力损失，实际预紧力为110 kN. 通过实验d21.6 mm的锚索体破断载荷为520 kN. 康红普院士在锚杆锚索预紧力初始值的选择中提出，锚杆预紧力为杆体屈服强度的30%～50%，锚索预紧力初始值应达到索体破断载荷的40%～70%. 因此，原设计锚索预应力偏低，影响了锚杆锚索支护作用的发挥。2) 锚索托盘采用22#槽钢配套180 mm×180 mm×12 mm平钢板。a) 由于围岩表面不平整等原因，较难保障所施工的锚索间距正好为槽钢的孔距，容易使锚索尾部受到弯剪破坏，不利于锚索预紧力扩散。b) 槽钢孔和钢板均为氧焊烧孔，成孔光滑度较差，容易剪切锚索。c) 平托板无法调心，只适用于锚索垂直巷道表面布置的情况，如果巷道表面不够平整则容易造成锚索受偏载的作用，对锚索受力状态造成不利影响，严重时托盘会剪切锚索，将锚索切断。3) 顶板焊接钢筋网为d4 mm钢筋，网格为110 mm×105 mm，搭接采用点焊，根据同类钢筋网在大变形巷道的应用发现，钢筋网焊点易开裂，难以抵抗巷道的网包变形。4) 顶板锚索每6 m施工一组锚固至K2灰岩1 m，导致K2灰岩水从锚索孔流出，同时由于顶板为10#煤和泥岩复合层且含硫量较高，泥岩遇水后承载力显著降低，不仅影响锚索锚固，而且对锚索造成锈蚀。

5 11-003巷道支护优化初始设计[2-4]

11-003巷断面设计为矩形断面，掘宽4.3 m，掘高3.0 m，掘进断面12.9 m2. 顶板锚杆形式和规格为22#左旋无纵筋螺纹钢筋，长度2.5 m，钢材屈服强度为335 MPa. 锚固方式为树脂加长锚固，采用一支规格为CK2340，另一支规格为Z2360. 钻孔d28 mm，锚固长度为1 763 mm. 托板采用拱型高强度托盘，规格为150 mm×150 mm×8 mm，配调心球垫和减摩垫圈。采用单体锚杆配W钢护板，规格为厚度3 mm，宽280 mm，长度450 mm. 锚杆排距1 100 mm，每排5根锚杆，间距950 mm. 锚杆预紧扭矩不低于300 N·m. 锚索形式和规格：锚索材料为d21.6 mm，1×7股高强度低松弛预应力钢绞线，长度8.3 m，每排两根布置，间排距1 600 mm×2 200 mm. 锚索安装在两排锚杆间顶板中部。采用300 mm×300 mm×14 mm拱形高强锚索托板，托板高不低于60 mm，配调心球垫。锚索张拉预紧力：200～250 kN.

巷帮支护锚杆形式和规格为22#左旋无纵筋螺纹钢筋，采用拱型高强度托盘，配调心球垫和减摩垫圈。W钢护板规格为厚度3 mm，宽280 mm，长度450 mm，锚杆预紧扭矩不低于300 N·m. 巷道支护断面示意图见图7.

6 矿压监测分析

在11-003(1)巷310 m位置设置一组矿压综合观测站，分析监测数据，顶帮锚杆初始预紧力在53～83 kN，超过锚杆杆体屈服载荷的50%，锚索初始预紧力为160 kN，实现高预应力支护，之后顶板锚杆受力始终保持稳定状态。11-0031巷锚杆锚索受力曲线见图8.

图7 11-003巷优化支护断面图

图8 11-0031巷锚杆锚索受力曲线图

在11-003(2)巷550 m位置，安设一组矿压监测测站，分析监测数据，顶帮锚杆初始预紧力最低达到了41 kN，稳定在60 kN左右，随着巷道向前继续掘进，锚杆受力基本稳定，巷道围岩稳定。顶板锚索初期预紧力131 kN，考虑损失满足要求，之后略有减小，直至平稳。11-0032巷锚杆锚索受力曲线图见图9.

图9 11-0032巷锚杆锚索受力曲线图

7 结 论

通过现场调研、锚固力试验、巷道围岩地质力学测试，结合已有经验成果，分析了现有巷道支护存在的问题，增加了锚杆锚索预紧力，提出了合理的巷道支护初始设计，通过对支护设计井下现场应用跟踪和矿压监测数据收集分析，锚杆锚索受力满足高预应力要求，最大锚杆受力接近其屈服强度，锚杆锚索承载力得到充分发挥，在保证安全的条件下巷道掘进效率提高38%，验证了新支护设计的合理性。

[1] 康红普.煤岩体地质力学原位测试及在围岩控制中的应用[M].北京:科学出版社，2013：216-228.

[2] 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，2009：67-95.

[3] 康红普，姜铁明，高富强.预应力锚杆支护参数的设计[J].煤炭学报，2008，33(7)：721-726.

[4] 张 农，高明仕.煤巷高强预应力锚杆支护技术与应用[J].中国矿业大学学报，2004，33(5)：524-527.

Study on Optimization of Mining Roadway Support in Soft Surrounding Rock

QI Hugen, XUE Xuhui

The lithologic characteristics of the surrounding rock of the coal mining tunnel in the Sanjianhe coal mine varies greatly. The roof appears soft in some section, and is prone to collapse while excavation all of which affects the mine safety production and economic benefit seriously. In consideration of the safety and cost reduction for the roadway support during tunneling, field investigation and anchoring stress test and geotechnical test are conducted, combined with existing experience, the paper puts forward reasonable design improvement on roadway support and the pre-tightening force of anchor cable. Field application and monitoring data of rock pressure monitoring show that the stress of anchor and anchor cable meets the requirement of high prestress, with the maximum anchor force is close to its yield strength, and the bearing capacity of the anchor cable is given full play. Under the safe conditions, the tunneling efficiency improved by 38%, which on the other hand proves the rationality of the new support design.

Soft surrounding rock; High pre-stress; Support optimization; Ground stress test

2017-04-21

祁虎根(1974—)，男，山西灵石人，2014年毕业于太原理工大学，助理工程师，主要从事煤矿安全管理和工程技术工作

(E-mail)836074373@qq.com

TD353

B

1672-0652(2017)06-0016-05