李雅庄矿松散煤层动压巷道支护技术研究

刘大雷

(山西汾河焦煤股份有限公司)

李雅庄矿2#煤层松散破碎，巷道受动压影响时，变形量大，两帮移近量在2 000 mm以上，巷道在服务期间需要多次返修。针对该类型巷道的支护难题，有专家学者进行了相关研究，认为煤层松散破碎且受动压影响会导致锚杆锚索支护体整体性差，普通的巷道护表构件强度偏低，造成巷道出现大变形[1-6]。本文在分析工程地质资料、巷道围岩应力分布情况和引进新型支护材料的基础上，提出新支护方案，以解决该矿此类巷道支护难题。

1 工程概况

该矿2-607工作面开采2#煤层，煤层松散破碎，厚3.26 m，含0.2 m厚夹矸，煤层倾角为5°～16°，平均为7°。2-6072巷埋深556～617 m，与邻近2-605工作面净煤柱为20 m，2-6072巷掘进时2-605工作面正在回采，2-6072巷长1 417 m。煤层直接顶为泥岩，厚1.3 m，之上依次为1 m厚细粒砂岩、2.5 m厚粉砂岩。直接底为泥岩，厚0.8 m，往下依次为1.4 m厚细粒砂岩，5.87 m厚砂质泥岩。巷道布置情况见图1。

2 巷道围岩应力分布

采用SYY-56型水压致裂地应力测量装置在2-6072巷道内进行地应力测试，最大水平主应力为12.04 MPa，最小水平主应力为6.4 MPa，垂直应力为14.49 MPa，为σV>σH>σh型应力场，测试区域地应力场在量值上属于中等应力值区域。巷道最佳布置形式为巷道轴向与最大水平主应力的方向垂直。2-6072巷不是最佳布置方位，与最佳布置方位相差75°，巷道变形受到最大水平主应力方向的影响较大。

图1 2-6072巷布置

基于地质资料和地应力测试结果，建立FLAC3D数值模型，模型尺寸为300 m×50 m×50 m，边界条件上部为自由边界，四周和底部铰支。数值模型见图2。

图2 数值模型

2-605工作面回采后，2-607工作面侧垂直应力分布特征见图3，可以得出：

(1)受2-605采动的影响，2-607工作面侧垂直应力分布与原岩应力状态有明显不同，垂直应力先升高后降低，远离采空区后逐渐接近原始垂直应力。

(2)距2-605采空区2.7 m处侧向支承应力达峰值30.05 MPa，原岩应力为15.81 MPa，峰值应力集中系数为1.90。

(3)距2-605采空区10 m处侧向支承应力降为24.71 MPa，应力集中系数为1.56；距2-605采空区20 m处侧向支承应力降为21.95 MPa，应力集中系数为1.39；随着距2-605工作面采空区距离增加，应力集中系数逐渐降低。

(4)2-607工作面侧距2-605采空区50 m处垂直应力大小与原岩应力大小相同，即2-605采动影响范围为50 m。

图3 2-607工作面侧垂直应力分布特征

由上述分析可知，净煤柱为20 m时，垂直应力集中系数为1.39，2-6072巷应力集中较高，需加大巷道支护强度。

3 新型支护材料

根据李雅庄矿支护现状，引进3种新型支护材料：W钢带、W钢护板、锚索托盘，并对W钢带和锚索托盘进行了力学性能试验。

4 mm厚W钢带抗拉性能试验结果和数值模拟结果见图4、图5。通过实验室与数值模拟分析对比，得出W钢带受拉时典型的破坏过程：拉力增加，在孔周围产生应力集中增加，受拉时孔周围的应力集中，在孔宽度变化处4个位置的应力集中最大，当应力集中增加到一定程度后出现裂纹，出现裂纹的位置在4个最大应力集中处随机出现；拉力继续增加，裂纹进一步扩展；当裂纹扩展到一定程度后，钢带破坏，失去使用价值。

图4 W钢带抗拉性能试验结果

新型锚索托盘的承载能力试验结果见图6、图7。可以看出，锚索托盘的承载能力在900 kN左右，完全满足φ21.6 mm锚索承载能力需求；锚索托盘在承载初期就由拱承载，随着拱变形，锚索的承载能力迅速增加，当拱变形到一定程度后，承载能力下降，当调心球垫触底后，承载能力迅速上升，此时在井下实际中托板已失去承载能力。

图5 W钢带抗拉性能数值模拟结果

图6 锚索托盘承载能力试验

图7 锚索托盘承载能力曲线

采用W钢带和W钢护板为护表构件，加强锚杆支护的整体性和护表强度，把锚杆预紧力均匀地分布在巷道顶板和两帮上，减少围岩完整性的降低，形成刚度较大的预应力承载结构，充分发挥围岩自身的承载能力，降低巷道围岩变形量。

顶板采用φ21.6 mm锚索补强支护。矿上原锚索托盘为平钢板，托板结构存在设计缺陷，无法安装调心球垫，当锚索与围岩有夹角时，容易出现锚索托盘剪切锚索的现象。平托板受力差，制约锚索预应力有效扩散。采用新型锚索托盘后，锚索能够施加原来3倍的预紧力，调动深部围岩与锚杆支护形成的浅部承载结构共同作用，进一步提高锚杆支护系统可靠性。

4 支护设计

锚杆杆体为左旋无纵筋螺纹钢筋，直径为22mm，长2500mm，屈服强度为335MPa，采用CK2340和Z2360各一支树脂药卷。锚杆托盘为方形带拱托盘，尺寸为150mm×150mm×10mm，配调心球垫和1010尼龙垫圈。W钢带护顶，厚4mm，宽280mm，长4700mm，孔间距为900mm。W钢护板护帮，厚4mm，宽280mm，长450mm。顶板锚杆间排距为900mm×900mm。帮部锚杆间排距为800mm×900mm。锚杆预紧扭矩要达到400N·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。锚索为φ21． 6 mm，1 × 7 股高强度低 松弛预应力钢绞线，延伸率为3. 5%，采用1 支 K2340、2 支Z2360 树脂药卷。锚索托盘为300 mm × 300 mm × 16 mm 高强度可调心托板。顶板锚索 长6 300 mm，“三·三”布置，锚索间排距为1 500 mm × 1 800 mm。煤柱侧帮锚索长4 300 mm，“二· 一”布置，排距1 800 mm。锚索预紧力为300 kN。 巷道支护设计见图8。

图8 巷道支护设计(单位：mm)

5 矿压监测

新支护方案应用于井下后，采用十字布点法进行巷道表面位移监测，巷道顶板和两帮变形情况见图9。可知，巷道变形时间长，测站距掘进工作面迎头80多m时巷道还在变形；两帮变形量大于顶板下沉量，两帮移近量稳定在165 mm，顶板下沉量稳定在116 mm；顶板和两帮均主要以整体变形为主，巷道顶板和两帮浅部围岩均没有破碎，完整性较好，锚杆锚索支护系统充分发挥了主动支护作用，保证了围岩的完整性，巷道支护效果满足工作面正常回采的需求。

6 结 论

(1)2-6072区域地应力场在量值上属于中等应力值区域，为σV>σH>σh型应力场。根据地应力场理论,2-6072巷与最佳布置方位相差75°，巷道变形受到最大水平主应力方向的影响较大。

(2)邻近2-605工作面采动影响范围为50 m，煤柱为20 m时侧向垂直应力集中系数为1.39。

图9 巷道表面位移监测结果■—顶板下沉量●—两帮移近量

(3)采用W钢带和W钢护板为护表构件，加强锚杆支护的整体性和护表强度，把锚杆预紧力均匀地分布在巷道顶板和两帮上，充分发挥围岩自身的承载能力，降低巷道围岩变形量。采用新型锚索托盘，锚索能够施加原来3倍的预紧力，调动深部围岩与锚杆支护形成的浅部承载结构共同作用，进一步提高锚杆支护系统可靠性。

(4)井下试验表明，新支护方案在巷道浅部围岩形成了刚度较大的承载结构，巷道变形量显著降低，两帮移近量稳定在165 mm，顶板下沉量稳定在116 mm，满足工作面正常回采的需求。