长平矿大断面巷道耦合让均压支护技术研究

徐玉胜，孔宏伟

(1.晋城煤业集团，山西 晋城 048205；2.晋城煤业集团长平公司，山西 晋城 048205)

长平矿是晋城煤业集团的一座现代化大型矿井，现采3#煤层，核定生产能力为500万t/a，回采工作面主要采用一次采全高采煤法，采高达5.5m。由于煤层瓦斯含量高及开采强度大，长平矿多采用采面一侧两条巷道同时掘出，在上一个工作面回采后，沿空留设一条巷道作为下一个工作面巷道。留设煤柱宽度55m。沿空留设巷道受上一个工作面动压和侧向支承压力及下一个工作面超前支承压力双次动压影响，巷道变形较大，经常需要起底、扩帮，浪费极大的人力、物力且影响大采高工作面回采速度。因此，探索一种新的支护方式，使掘出的工作面巷道后期维护工作量小，加快掘进速度，缓解采掘接替紧张具有重要的现实意义。

1 工程概况

1.1 地质概况

长平矿43081、43082巷位于3#煤层中，开采深度500m左右。3#煤直接顶为3.82m厚的泥岩，较易垮落，老顶为10.64m厚的中粒砂岩，直接底为9.85m厚的砂质泥岩。

1.2 巷道布置情况

43081、43082巷为长平矿4308工作面一侧的两条巷。43082巷将先后作为4308工作面回采时的回风巷及4310工作面回采时的进风巷，受二次动压影响。巷道平面布置如图1所示。

图1 43082巷巷道布置示意图

由于长平矿3#煤层煤体酥脆，巷道掘进留顶煤不利于顶板维护，因此，43081、43082巷掘进时沿煤层顶板掘进，初始掘进断面5.6m×3.9m。然而由于底鼓的影响及工作面回采的需要，巷道掘进后在回采前需要进行二次起底，起底后巷道高度近5.5m，属于超大断面巷道。根据长平矿类似条件下的经验，该类巷道在工作面回采过程中破坏严重，巷道维护困难。

1.3 43082巷原支护情况

43082巷原支护采用高强度锚杆、钢筋托梁、金属网组合支护系统，并使用锚索补强。锚杆、锚索排距1m。锚杆型号为MSGLW-500 22/2400，顶板每排5根，间距1.25m；巷帮每排每帮4根，间距1m。顶板钢筋托梁型号为SB-16-80-5200-5，巷帮钢筋托梁规格为SB-16-80-3200-4。锚索型号为SKP22×1/1720×6300，顶板每排3根，间距1.5m；巷帮每排每帮2根，间距1.3m。锚索均施工于两排锚杆之间。

1.4 43082巷原支护存在的主要问题

由于43082巷原支护采用的是刚性支护，支护强度比较高，在巷道掘进期间，巷道受矿压影响变形后仍然能够满足巷道使用要求，但根据长平矿类似条件下的情况，在4308工作面回采期间，43082巷顶板下沉、底鼓、两帮收缩情况严重，在4310工作面回采前，43082巷必须进行起底、扩帮，顶板离层严重区域还必须进行挑顶处理，掘进成本大幅提高且影响4310工作面回采。同时，由于支护体变形不能较好的与围岩变形相耦合，锚杆常在丝部附近、锚索常在距锚索托盘安装部位1.1～1.5m处发生断裂，给安全管理带来不利影响。另外，由于巷道掘进时，一次支护顶板及巷帮施工锚索数量较多，影响掘进速度，从而导致采掘接替紧张。因此，必须找到一种经济合理的支护方式，使其能够适应高地应力、大变形围岩条件下的巷道支护，减少巷道维修工作量，同时方便工程施工，又有利于掘进进尺的提高。

2 巷道整体耦合让均压支护技术

2.1 巷道整体耦合让均压支护概念

支护系统能达到有效的支护顶板的目的，必须使其能同时、协同均匀的支护围岩，在确保围岩稳定和允许一定变形的情况下，允许支护体在其屈服极限前有一定的让压性能，确保支护体变形和围岩变形相耦合，充分发挥支护体的支护作用和巷道围岩的自承载能力，这是巷道整体耦合让均压支护的关键[1-4]。整体耦合包含个体支护体和围岩间的耦合及支护体之间的耦合[3]。

根据弹塑性力学基本原理，巷道围岩保持稳定，需要支护体的应力、变形和围岩的应力、变形相耦合。这就需要锚杆、锚索有足够的强度和良好的延展性，避免围岩压力增大时过早破断且能够适应围岩变形，同时，锚杆、锚索在安装时必须施加足够的安装应力，用以控制巷道围岩的早期变形[5]。

2.2 巷道整体耦合让均压支护实现途径

要实现支护体对围岩的让均压性能，必须使支护体具有良好的延展性，在高地压、大变形的围岩条件下，目前的材料难以实现；将支护体本身做成可变形结构，变形参数难以控制。因此，采用在保持支护体长度不变的情况下，在支护体上增加可变形附件—让压管，当锚杆、锚索由于围岩的剧烈变形而产生较大的受力时，让压管能够通过自身的让压变形使围岩卸压，从而调整锚杆、锚索的受力，使锚杆、锚索能够适应巷道围岩变形的发展[6]，达到支护体应力、变形与围岩的应力、变形相耦合的目的。

由于锚杆、锚索本身材料的不同，造成锚索的延伸率要小于锚杆的延伸率。在矿山压力作用下，低延伸率的锚索通常会首先发生破断，单靠锚杆难以承担对巷道围岩的承载作用，随着矿山压力的继续增大，围岩变形加速，进而出现冒顶现象[7]。通过对长平矿多次巷道冒顶事故现场勘查发现，锚索断裂数量要远多于锚杆断裂数量。因此，必须在让压距离上对锚杆、锚索进行调整，达到支护体对巷道围岩的共同承载，从而实现均压目的。

2.3 耦合让均匀支护关键参数确定

2.3.1 锚杆、锚索长度确定

锚杆、锚索长度确定通常采用理论计算法、数值模拟法或工程类比法。长平矿多年来巷道顶、帮支护锚杆长度均为2.4m。正常巷道条件下，顶锚索长度为6.3m，帮锚索长度为4.3m，锚杆、锚索长度基本能够满足要求，但在受多次采动影响的巷道内，围岩变形大。根据围岩松动破碎圈理论结合巷道尺寸实际，决定将锚杆长度加长为2.8m，顶、帮锚索长度不变。根据工业试验情况，决定锚杆、锚索长度是否再需要进行调整。

2.3.2 锚杆、锚索安装应力确定

合理的安装应力是控制围岩早期变形的重要参数。安装应力过小会使围岩发生过大的早期变形，松散破碎圈增大，巷道过早出现顶板破碎、巷帮收缩[8]。安装应力过大，锚杆、锚索安装时费时较长，且锚索在涨拉时容易出现拨出现象。根据长平矿多年实践结合现场施工情况，确定顶、帮锚杆安装应力为40kN，顶锚索安装应力为120kN，帮锚索安装应力为100kN。

2.4 锚杆、锚索参数确定

根据以上分析，结合长平矿及类似条件下国内矿井巷道支护经验，确定43082巷锚杆、锚索支护参数如下。

2.4.1 锚杆支护参数

顶、帮锚杆选用Φ20mm×2800mm高强应力显示让压蛇形锚杆。杆体材料为Q500矿用高强螺纹钢，锚杆安装应力不小于40kN，安装扭矩不小于200N·m。锚杆排距1m。

顶锚杆间距1000mm，锚杆屈服强度大于19t，抗拉强度大于24t。让压装置为15-17TB单泡让压管，让压距离35mm。

帮锚杆间距1100mm，锚杆屈服强度大于16t，抗拉强度大于21t。让压装置为12-15TB的单泡让压管，让压距离35mm。

锚杆托盘为150mm×150mm×10mm的高强球型托盘。顶板锚杆托盘安装时配合顶板5300mm的W钢带使用；巷帮锚杆托盘安装时，在靠近煤柱一侧的上部两根锚杆，锚杆托盘配合1500mm的W钢带使用，其余巷帮锚杆托盘与300mm×300mm×3.75mm钢带托盘联合使用。

2.4.2 锚索支护参数

顶板耦合让均压鸟窝锚索长度6300mm，锚索直径21.8mm，安装应力120kN，让压装置为26-30TB双泡让压管，让压距离50mm。顶锚索排距1m，间距1.5m，每排3根。

巷帮耦合让均压鸟窝锚索长度4300mm，锚索直径18.9mm，安装应力100kN，让压装置为21-25TB双泡让压管。巷帮锚索仅煤柱侧施工，排距1m，间距1.2m，每排2根。

锚索托盘为300mm×300mm×14mm 高强球型托盘。

2.5 支护方案确定

为了缓解采掘接替紧张，考虑到43082巷在掘进期间巷道变形不大，剧烈变形主要在4308工作面回采后及4310工作面回采期间。因此43082巷巷道支护分为掘进时支护方案与4308工作面回采后、4310工作面回采前加固方案两部分。巷道掘进时支护方案如图2所示。

图2 巷道掘进时支护方案图(mm)

加固方案采用在巷道顶板补打锚索，补打锚索后巷道顶板每排3根锚索。同时，在43082巷煤柱侧每排施工2根帮锚索。巷道加固后支护如图3所示。

图3 巷道加固后支护图(mm)

3 工作面巷道支护效果监测

3.1 巷道围岩表面位移观测

自采用让压锚杆、锚索支护的巷道端开始30m处布置第一个观测断面，然后向巷道掘进方向每50m布置一个观测断面，共布置3个观测断面。

根据3个观测断面监测数据分析，巷道支护后，围岩和支护体组成的应力系统状态处在不断的调整变化中，在第15～16个监测日，巷道围岩变形趋于稳定。三个观测断面中，第一个观测断面巷道收敛量最大，顶底板最大收缩量达58mm，两帮最大收缩量39mm。第一观测断面巷道围岩表面位移曲线如图4所示。

图4 第一断面巷道围岩表面位移曲线

3.2 锚杆、锚索受力状态监测

在每个位移观测断面处均安设一组测站，每个测站安设3块托盘式电子压力表(顶板锚杆、锚索各一块，煤柱侧帮锚杆一块)。使用时，将压力表套在锚杆(锚索)托球和外锚头的螺母(锁具)之间，锚杆、锚索安装合格后，记下压力表初始值，以后每周观测一次，直到读数基本稳定为止。

通过对三组压力表的数据观测，发现锚杆、锚索在安装后第四周，受力基本稳定。此时，锚杆(锚索)受力远未达到其屈服极限130kN(400kN)。以第一组测站为例，锚杆、锚索受力曲线如图5所示。

图5 锚杆、锚索受力曲线图

3.3 采动后巷道围岩表面位移观测

4308工作面回采30d后，通过对43082巷道让压支护段顶底板、两帮距离进行测量，发现该段巷道顶底板收缩量在0.6～0.9m之间，两帮收缩量在0.4～0.6m之间，巷道变形后的尺寸能够满足工程需要。同时，让压锚杆、锚索端部的让压管均出现不同程度的压扁现象，体现出了良好的让压特性。

4 结 论

1)针对43082巷受大采高工作面双次动压影响，巷道维护困难情况，采用耦合让均压支护技术，巷道围岩变形及支护体受力在经过一段时间后均趋于稳定。

2)通过采用将巷道支护方案分为掘进时支护方案和回采前加固方案的模式，既达到了巷道支护及留巷二次使用的目的，又保证了巷道掘进速度，有利于缓解采掘接替紧张局面。

3)根据试验巷道矿压观测结果和宏观效果证明，选用的支护方案，达到了巷道支护及留巷二次使用的目的，对该煤矿及同类条件下其他矿井的巷道支护具有一定的指导意义。