强膨胀性围岩回采巷道的支护参数研究

司海云

（山西煤炭运销集团七一煤业有限公司，山西 高平 048400）

1 概况

山西煤炭运销集团七一煤业有限公司主采9号煤层，埋深80～150m，煤层厚度1.10～1.72m，平均1.51m左右，煤层倾角较小，平均4°，为近水平薄煤层，采用长壁综合机械化一次采全高采煤方法。其直接顶板为泥岩和粉砂岩，厚度为2.50～3.30m，单向抗拉强度平均为0.73MPa，抗压强度平均为13.4MPa，该岩层遇水膨胀，力学性质变低，易垮落；底板为泥岩和砂质泥岩，厚度约2.6m，抗压强度和抗拉强度分别为12.7MPa和0.68MPa，遇水膨胀，为不稳定岩层；基本顶多为细粒砂岩或石灰岩，力学性质较强，抗压强度和抗拉强度分别为38.6MPa和3.03MPa。9号煤层上方3号煤层已开采，9号煤层上覆岩层不够完整稳定，再加上9号煤围岩多为泥岩，遇水膨胀，强度大幅降低，传统巷道支护很难维护，研究适宜的支护参数技术迫在眉睫[1-2]。

2 顶底板全岩矿物成分分析

对9号煤回采巷道的围岩进行取样，并对岩样进行矿物X射线分析。从衍射结果来看，9号煤顶底板泥岩中含有大量的黏土矿物，顶板黏土矿物含量为48%，石英含量为52%，其中伊/蒙混层含量为17%，高岭石含量为69%，底板黏土矿物含量为46%，石英含量为49%，剩余为少量的钾长石，其中伊/蒙混层含量为18%，高岭石含量为64%。从全岩矿物成分中可以看出，顶底板围岩遇水膨胀性较强，在巷道掘进中，无论是空气中水分以及其他工程用水对顶底板围岩极为不利。

3 回采巷道锚杆锚索支护设计思路

设计思路：以锚杆支护围岩强度强化理论、锚杆锚索强力支护理论为指导，采用高预应力高强锚杆、锚索协调支护技术[3-4]，合理确定锚杆、锚索支护参数。

3.1 顶板锚杆支护参数

考虑该矿实际地质条件，以9101工作面回采巷道为工程背景，首先研究锚杆材质、直径、长度及支护间排距等关键参数[5]。

（1）锚杆材质。结合材质特点，可采用左旋螺纹钢高强锚杆，此锚杆采用专用锚杆钢材，杆体屈服强度不低于335MPa，锚尾进行强化热处理，杆尾螺纹规格M22，采用滚压加工工艺成型，延伸率17%～20%。

（2）锚杆直径。锚杆直径大小直接影响锚杆支护阻力大小，且成一定线性增长，直径越大，支护体系刚度越大，对支护越有力，但锚杆直径也应考虑钻孔直径及经济成本。综合考虑选择直径为20mm。

（3）锚杆长度。锚杆长度直接决定锚杆锚固围岩强化圈的大小，结合围岩多为泥岩的性质，传统的锚杆长度不能满足要求，参考相似地质条件下锚杆长度现场试验情况，锚杆长度不低于2.0m。

（4）锚杆支护排距。锚杆间排距对形成锚固围岩的梁效应、拱效应、锚固体的整体性以及加固层效应具有重要作用，确定锚杆排距在1100mm比较合理。

3.2 锚索支护参数

根据GB/T14370-2000国家标准，钢绞线-锚具组装件静载试验测定的锚具效率系数ηa应满足下式要求：

式中：

ηa-锚具效率系数；

Fapu-抗拉强度，kN；

ηp-钢绞线协同作用系数，一般取0.99；

Fpm-平均极限拉力，kN。

抗拉强度应满足：

Fapu≥ 0.95ηpFpm

根据现场对巷道围岩预应力锚索的测试结果来看，该地质条件下锚索的抗拉强度Fms应满足以下条件：

Fms≥ηsFapu

式中：

Fms-该地质条件下的抗拉强度，kN；

ηs-工程条件影响系数，取值0.90；

Fapu-抗拉强度，kN。

故预应力锚索应满足以下条件：

F≥ 0.95ηsηpFpm

式中：

ηs-工程条件影响系数，取值0.90；

ηp-钢绞线协同作用系数，一般取0.99；

Fpm-平均极限拉力，kN。

直径为17.8mm钢绞线，Fpm的国标GB/T5224-2003的取值353kN，可计算出破断力F1=0.95×0.90×0.99×353=299 kN。

又知巷道掘进时冒落面积为 ：S=9.55m2

可计算出掘进时冒落拱岩体载荷N0为：

N0=γS=26×9.55=248.4kN/m

式中：

γ- 容重，kg/cm3。

对照直径17.8 mm锚索沿巷道顶板每米可承受载荷见表1，可确定当锚索直径为17.8mm时，锚索布置排距2.2m，每排2根。

表1 直径17.8 mm锚索沿巷道顶板每米可承受载荷

3.3 综合支护参数

顶板锚杆：使用屈服强度不低于335MPa的左旋螺纹钢高强锚杆，规格为Ф20×2000mm，一排6根，间距900mm，使用高强的拱形托盘和螺母，顶板采用 Ф6.5mm的钢筋网辅助支护，网格为100mm×100mm，锚杆预紧力不能小于30～40kN。

顶板锚索：使用直径为17.8mm、7股高强度低松弛钢绞线制的锚索，锚索长度大于6.3m，间距和排距均为2.2m，配250×250×15mm的高强球型托盘，锚索预紧力应不小于150kN。

两帮锚杆：采用屈服强度不低于335MPa左旋螺纹钢高强锚杆，规格为Ф20×1800mm，两帮各3根，间距1000mm，预紧力应大于20～30kN。

巷道支护布置如图1所示。

4 支护效果

在9101工作面回采巷道布置三个围岩变形观测站，每组观测站布置两个顶底板动态仪和一个激光测距仪，监测顶底板相对移近量。激光测距仪监测正、副巷相对移近量，每个测站相距15m。现场监测结果图2所示。

从图2可以看出，随着回采工作面的推进，回采巷道顶底板最大移近量为91mm，两帮移近量最大值为193mm。回采巷道变形被控制在一定范围，变形稳定，支护结构未发生失稳，未出现漏顶、冒顶现象，支护效果良好。

图1 巷道支护布置图

图2 距工作面不同距离时围岩变形量